JP2007330091A - Method of configuring feedback circuit for stabilizing dc voltage generated from resonance circuit - Google Patents

Method of configuring feedback circuit for stabilizing dc voltage generated from resonance circuit Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a configuration of a feedback circuit for stabilizing a DC voltage obtained by rectifying a high-frequency AC voltage outputted from a resonance circuit for a load in a wide range, and to provide a method for giving its circuit constant. <P>SOLUTION: An equivalent power source is introduced to clarify the condition that the feedback of a carrier is stabilized for driving the resonance circuit of the output voltage to the frequency. A virtual resonance circuit corresponding to the resonance circuit of an equivalent power supply receives the frequency-modulated carrier similarly to the resonance circuit, and outputs not the amplitude-modulated carrier but its envelope. A virtual rectifying/smoothing circuit corresponding to the rectifying circuit acts as a first-order lag filter on the envelope, and generates an output voltage of the equivalent power supply. The equivalent power supply is described by a simultaneous differential equation system, and a mathematical analysis is made to clarify the sufficient condition to stabilize the equivalent power supply. Under the sufficient condition, a circuit realizing a stable feedback is constituted and the stability is demonstrated by simulation. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は共振回路を利用して電圧を発生する安定化直流電圧電源において、電源の出力である直流電圧の安定化に関するものであり、電源の出力である広い範囲の直流電圧を広い範囲の負荷に対して安定化するものである。 The present invention relates to stabilization of a DC voltage that is an output of a power supply in a stabilized DC voltage power supply that generates a voltage by using a resonance circuit, and a wide range of DC voltages that are the output of the power supply are applied to a wide range of loads. It stabilizes against.

共振回路を利用して電圧を発生する電源として、たとえば圧電トランスの共振回路を利用して直流高電圧を発生する電源がある。この圧電トランスを用いた電源は比較的高圧の出力を必要とする用途に用いられていた。それらの用途においては、出力電圧に高精度な安定性が必要とされておらず、したがってこのような圧電トランスを用いた電源では、入力電圧あるいは負荷電流の変動に対する出力電圧の安定性が悪く、このためこの種の電源の用途は固定入力・固定負荷の条件を満たす用途に限られる欠点があった。
特開2002-359967 特開2005-137085
As a power source that generates a voltage using a resonance circuit, for example, there is a power source that generates a DC high voltage using a resonance circuit of a piezoelectric transformer. The power source using this piezoelectric transformer has been used for applications that require a relatively high voltage output. In those applications, high-precision stability is not required for the output voltage. Therefore, in such a power source using a piezoelectric transformer, the stability of the output voltage with respect to fluctuations in the input voltage or load current is poor. For this reason, this type of power supply has a drawback that it is limited to applications that satisfy the conditions of fixed input and fixed load.
JP2002-359967 JP2005-137085

特許文献1は、安定化された高電圧を提供する、効率のよい直流高電圧電源装置の簡単な回路の構成を提供することを課題とし、直流高電圧電源に、通常の電磁トランスではなく、圧電トランスによる高電圧発生手段を採用することにより効率の向上を計り、しかも高電圧を安定化するために圧電トランスの共振特性の周波数依存性を利用することにより、回路の簡素化と部品点数の減少を計ることにより課題を解決する。 Patent Document 1 aims to provide a simple circuit configuration of an efficient direct current high voltage power supply device that provides a stabilized high voltage, and the direct current high voltage power supply is not an ordinary electromagnetic transformer, By adopting high voltage generation means using a piezoelectric transformer, the efficiency is improved, and the frequency dependence of the resonance characteristics of the piezoelectric transformer is used to stabilize the high voltage, thereby simplifying the circuit and reducing the number of parts. Solve the problem by measuring the decrease.

特許文献2は直流高電圧電源装置に関するもので、当該装置の出力電圧を安定化する帰還について、高電圧の発生に伴う遅れの大きい帰還とは独立な遅れの少ない帰還を実装することにより、出力電圧の安定化の精度の向上と応答の高速化を実現する。 Patent Document 2 relates to a DC high-voltage power supply device, and for feedback that stabilizes the output voltage of the device, by implementing feedback with little delay independent of feedback with a large delay accompanying the generation of a high voltage, Improves voltage stabilization accuracy and speeds up response.

共振回路から出力される高周波交流を整流して得られる直流電圧を広い範囲の負荷に対して安定化する帰還回路の構成とその回路定数とを与える方法。 A method of providing a feedback circuit configuration and circuit constants for stabilizing a DC voltage obtained by rectifying high-frequency alternating current output from a resonant circuit against a wide range of loads.

入力電圧あるいは負荷電流の変動に対する出力電圧の安定性と精度とを確保するために、帰還回路の伝達関数に原点に位置する極を導入する。この極はπ/2の位相の遅れを引き起こす。出力電圧の安定化を実現するためには、位相の遅れを補償することが必要である。整流平滑回路の遅れと共振回路の遅れとを補償する複数個のゼロ点を帰還回路に導入することにより安定な帰還を実現し、広い範囲の負荷に対して電源の出力を安定化する。 In order to ensure the stability and accuracy of the output voltage against fluctuations in the input voltage or load current, a pole located at the origin is introduced into the transfer function of the feedback circuit. This pole causes a phase delay of π / 2. In order to achieve stabilization of the output voltage, it is necessary to compensate for the phase delay. Stable feedback is realized by introducing a plurality of zero points that compensate for the delay of the rectifying and smoothing circuit and the delay of the resonant circuit into the feedback circuit, and the output of the power supply is stabilized over a wide range of loads.

高いQ値を備えた共振回路が、局所的に一定な振幅を持つ共振周波数に近い周波数の搬送波によって駆動される。この時、共振回路から出力される高周波交流を復調(整流)することにより得られる直流電圧は、搬送波の周波数に依存する。直流電圧を搬送波の周波数に帰還することにより、直流電圧を安定化する。 A resonant circuit having a high Q value is driven by a carrier wave having a frequency close to the resonant frequency having a locally constant amplitude. At this time, the DC voltage obtained by demodulating (rectifying) the high-frequency AC output from the resonance circuit depends on the frequency of the carrier wave. The DC voltage is stabilized by feeding back the DC voltage to the frequency of the carrier wave.

安定化された直流電圧を出力とする安定化直流電圧電源は電圧発生回路と帰還回路からなり、電圧発生回路は共振回路を駆動する局所的に一定な振幅の高周波交流である搬送波を出力とするドライバー回路とこの搬送波を入力とする共振回路と共振回路の出力から直流電圧を発生する整流平滑回路とから構成され、帰還回路は整流平滑回路から出力される直流電圧とあらかじめ与えられた参照電圧とを比較する誤差増幅器と、誤差増幅器の出力によって決まる周波数の矩形波を出力する周波数変調回路とから構成され、この周波数変調回路の出力がドライバー回路の出力する高周波交流の周波数を制御し、安定化直流電圧電源の出力電圧である整流平滑回路から出力される直流電圧が搬送波の周波数に帰還され安定化される。 A stabilized DC voltage power source that outputs a stabilized DC voltage is composed of a voltage generation circuit and a feedback circuit, and the voltage generation circuit outputs a carrier wave that is a high frequency alternating current of locally constant amplitude that drives a resonance circuit. A driver circuit, a resonance circuit that receives the carrier wave, and a rectifying / smoothing circuit that generates a DC voltage from the output of the resonance circuit. A feedback circuit includes a DC voltage output from the rectifying / smoothing circuit and a reference voltage given in advance. Is composed of an error amplifier and a frequency modulation circuit that outputs a square wave having a frequency determined by the output of the error amplifier, and the output of this frequency modulation circuit controls and stabilizes the frequency of the high-frequency AC output from the driver circuit. The DC voltage output from the rectifying / smoothing circuit, which is the output voltage of the DC voltage power supply, is fed back to the frequency of the carrier wave and stabilized.

数理解析的手段により解析することが可能なこの安定化直流電圧電源を近似する等価電源を構成し、等価電源から出力される直流電圧が参照電圧の近傍にあるとき帰還が安定である十分条件を数理解析的手段により明らかにし、出力である直流電圧と参照電圧との誤差の搬送波の周波数への帰還がこの十分条件を満たすように回路定数を求めることにより課題を解決する。 An equivalent power supply that approximates this stabilized DC voltage power supply that can be analyzed by mathematical analysis means is constructed, and a sufficient condition that the feedback is stable when the DC voltage output from the equivalent power supply is in the vicinity of the reference voltage. The problem is solved by finding the circuit constant so that the feedback of the error between the output DC voltage and the reference voltage to the frequency of the carrier wave satisfies the sufficient condition.

電源は、一定な振幅を持つ搬送波を発生するドライバー回路と、ドライバー回路の出力である搬送波によって駆動される共振回路と、共振回路の出力である振幅変調された搬送波を整流することにより直流電圧として取り出す整流平滑回路とを備える電圧発生回路と、整流平滑回路の出力である直流電圧をこの電源の出力電圧を設定するためにあらかじめ与えられている参照電圧と比較する誤差増幅器と、誤差増幅器の出力よって決まる周波数を発生し、前記ドライバー回路を制御する周波数変調回路を備える帰還回路を含み、周波数変調器の出力は前記ドライバー回路の入力となりドライバー回路の発生する搬送波の周波数の制御を行い、直流電圧を搬送波の周波数に帰還することにより出力直流電圧を安定化にする手段を備える。 The power supply has a driver circuit that generates a carrier wave having a constant amplitude, a resonance circuit that is driven by the carrier wave that is the output of the driver circuit, and a DC voltage by rectifying the amplitude-modulated carrier wave that is the output of the resonance circuit. A voltage generating circuit including a rectifying / smoothing circuit to be taken out, an error amplifier for comparing a DC voltage output from the rectifying / smoothing circuit with a reference voltage given in advance to set an output voltage of the power supply, and an output of the error amplifier And a feedback circuit including a frequency modulation circuit for controlling the driver circuit. The output of the frequency modulator becomes an input to the driver circuit and controls the frequency of the carrier wave generated by the driver circuit. Is provided to stabilize the output DC voltage by feeding back to the frequency of the carrier wave.

この電源が安定に動作する条件を明らかにすることを目的として等価電源を導入する。等価電源は仮想電圧発生回路と帰還回路からなる。この仮想電圧発生回路はドライバー回路と仮想共振回路と仮想整流平滑回路とからなる。仮想共振回路は、共振回路と同様に周波数変調された搬送波を入力とし、振幅変調された搬送波ではなく、そのエンベロープを出力する。また仮想整流平滑回路はこのエンベロープを入力とし、エンベロープに対して一次遅れのフィルターとして作用し、整流平滑回路の出力と同等の結果を出力する。 In order to clarify the conditions under which this power supply operates stably, an equivalent power supply is introduced. The equivalent power source is composed of a virtual voltage generation circuit and a feedback circuit. The virtual voltage generation circuit includes a driver circuit, a virtual resonance circuit, and a virtual rectification smoothing circuit. Similar to the resonant circuit, the virtual resonant circuit receives a frequency-modulated carrier wave as input, and outputs the envelope instead of the amplitude-modulated carrier wave. The virtual rectifying / smoothing circuit receives this envelope as an input, acts as a first-order lag filter with respect to the envelope, and outputs a result equivalent to the output of the rectifying / smoothing circuit.

等価電源は、一定振幅を持つ搬送波を発生するドライバー回路と、ドライバー回路の出力である搬送波によって駆動される仮想共振回路と、その出力が入力される仮想整流平滑回路とからなる仮想電圧発生回路と、仮想整流平滑回路の出力である直流電圧を参照電圧と比較する誤差増幅器と、誤差増幅器の出力よって決まる周波数を発生し、前記ドライバー回路を制御する周波数変調回路を備える帰還回路を含み、周波数変調器の出力は前記ドライバー回路に入力され、ドライバー回路の発生する搬送波の周波数の制御を行い、仮想整流平滑回路の出力である直流電圧を搬送波の周波数に帰還することにより出力直流電圧を一定にする手段を備える。 The equivalent power supply includes a driver circuit that generates a carrier wave having a constant amplitude, a virtual resonance circuit that is driven by a carrier wave that is an output of the driver circuit, and a virtual voltage generation circuit that includes a virtual rectifying and smoothing circuit to which the output is input. An error amplifier that compares a DC voltage that is an output of the virtual rectifying and smoothing circuit with a reference voltage; a feedback circuit that includes a frequency modulation circuit that generates a frequency determined by the output of the error amplifier and controls the driver circuit; The output of the device is input to the driver circuit, controls the frequency of the carrier wave generated by the driver circuit, and feeds back the DC voltage that is the output of the virtual rectifying and smoothing circuit to the frequency of the carrier wave, thereby making the output DC voltage constant. Means.

この等価電源は連立微分方程式系によりその動作を記述することができるので、安定性の数理的な解析が可能となる。微分方程式系を導出し、これから等価電源の出力電圧が参照電圧の近傍で安定となる十分条件を明らかにする。この十分条件を基にして安定な帰還を実現する実際の回路を構成し、回路定数を与える方法を示す。
出力電圧の安定化
Since the operation of this equivalent power supply can be described by a system of simultaneous differential equations, mathematical analysis of stability is possible. A differential equation system is derived, and from this, sufficient conditions for the output voltage of the equivalent power supply to become stable near the reference voltage are clarified. An actual circuit that realizes stable feedback based on this sufficient condition and a method for giving circuit constants will be described.
Output voltage stabilization

高いQ値の共振回路は鋭い周波数特性や大きな負荷依存性などの共振特性を示す。周波数変調された一定の振幅を持つ搬送波が共振回路に入力されると、その搬送波は振幅変調されて出力される。共振回路の出力に負荷抵抗を接続し、入力された搬送波と出力された搬送波の振幅電圧の比である昇圧比を駆動周波数の関数として見ると、共振回路は共振を示し、共振周波数の付近で大きな昇圧比を示す。共振回路を用いた電源はこの高い昇圧比を利用して高い電圧を発生する。また昇圧比が搬送波の周波数に依存することを利用して、周波数を制御することにより出力電圧を安定化する。 A resonance circuit with a high Q value exhibits resonance characteristics such as sharp frequency characteristics and large load dependence. When a frequency-modulated carrier wave having a constant amplitude is input to the resonance circuit, the carrier wave is amplitude-modulated and output. When a load resistor is connected to the output of the resonant circuit, and the step-up ratio, which is the ratio of the amplitude voltage of the input carrier to the output carrier, is seen as a function of the drive frequency, the resonant circuit shows resonance and is near the resonance frequency. A large step-up ratio is shown. A power supply using a resonance circuit generates a high voltage by using this high step-up ratio. Further, the output voltage is stabilized by controlling the frequency by utilizing the fact that the step-up ratio depends on the frequency of the carrier wave.

共振回路を駆動する搬送波の周波数が、たとえば図 1に示すように共振回路の共振周波数より低くなるように選ばれている場合、出力電圧が参照電圧より低いときには周波数を上げて共振周波数に近づき、また出力電圧が参照電圧より高いときには周波数を下げて共振周波数より遠ざかることにより電圧を安定化する。 When the frequency of the carrier wave that drives the resonance circuit is selected to be lower than the resonance frequency of the resonance circuit, for example, as shown in FIG. 1, when the output voltage is lower than the reference voltage, the frequency is increased to approach the resonance frequency, Further, when the output voltage is higher than the reference voltage, the voltage is stabilized by lowering the frequency and moving away from the resonance frequency.

搬送波の周波数が共振周波数より高くなるように選ばれている場合、出力電圧が参照電圧より低いときには周波数を下げて共振周波数に近づき、また出力電圧が参照電圧より高いときには周波数を上げて共振周波数より遠ざかることにより電圧を安定化する。
周波数変調
When the carrier frequency is chosen to be higher than the resonant frequency, when the output voltage is lower than the reference voltage, the frequency is lowered to approach the resonant frequency, and when the output voltage is higher than the reference voltage, the frequency is increased to be higher than the resonant frequency. The voltage is stabilized by moving away.
Frequency modulation

周波数変調器は入力される電圧によって周波数変調された搬送波を出力する。出力される搬送波の周波数は入力された電圧の関数である。 u(t)を出力の搬送波とし次のように書く。
ここで wは搬送波の時間的に不変な振幅を表し、共振回路に入力される搬送波は数式 63の実部であるとする。φを次式により定義する。
すると、vを周波数変調器への入力電圧とするとき、
が成り立つ。ここでfselfは周波数変調器の自走周波数を表し、 kはφとvとの間の比例定数を表す。 また今後の計算の簡便のためにωc = ω0
を仮定する。ただしω0は数式 69で定義される。 数式 65から次式が従う。

共振回路
The frequency modulator outputs a carrier wave frequency-modulated by an input voltage. The frequency of the output carrier is a function of the input voltage. Write u (t) as the output carrier wave as follows.
Here, w represents the time-invariant amplitude of the carrier wave, and the carrier wave input to the resonance circuit is the real part of Equation 63. φ is defined by the following equation.
Then, when v is the input voltage to the frequency modulator,
Holds. Here, f self represents the free-running frequency of the frequency modulator, and k represents a proportionality constant between φ and v. In order to simplify future calculations, ω c = ω 0
Assuming However, ω 0 is defined by Equation 69. From Equation 65, the following equation follows.

Resonant circuit

負荷RLに接続された状態で共振回路がしめす共振は、そのQ 値、 共振周波数および共振周波数における電圧の昇圧比を使って近似的に 次式のように書くことができる。
ここでa, b, cは次の条件を満たす正の数である。
Qは共振のQ値であり、γはQ値の逆数、ωrは共振周波数 における角速度であり、またgrは共振 周波数における共振回路の昇圧比である。
The resonance that the resonance circuit shows when connected to the load RL can be written approximately as follows using its Q value, resonance frequency, and voltage boost ratio at the resonance frequency.
Here, a, b, and c are positive numbers that satisfy the following conditions.
Q is the resonance Q value, γ is the reciprocal of the Q value, ω r is the angular velocity at the resonance frequency, and g r is the boost ratio of the resonance circuit at the resonance frequency.

伝達関数の分母から作られ方程式s2+as+b = 0の
根をαとβとする。 αとβとをδとω0とを使って 次のように書くことができる。
また数式 68と数式 69から

このときδとω0とは正の数である。
またQ値は数十程度であり、共振が鋭いので
が成り立つ。
Let α and β be the roots of the equation s 2 + as + b = 0 made from the denominator of the transfer function. α and β can be written using δ and ω 0 as follows.
From Equation 68 and Equation 69

At this time, δ and ω 0 are positive numbers.
The Q value is about several tens and the resonance is sharp.
Holds.

Q値が30、昇圧比が100、共振周波数が 120 kHz である伝達関数h0(s)は次のように書ける。
h0(s)の δとωとをそれぞれδ0とω0とすると、その値は次のようになる。
以下に展開される議論では、共振回路の伝達関数h(s)を一つ固定して、この伝達関数を持つ共振回路から生成される直流電圧が安定である条件を求める。
共振周波数近傍での伝達関数
A transfer function h 0 (s) having a Q value of 30, a step-up ratio of 100, and a resonance frequency of 120 kHz can be written as follows.
Assuming that δ and ω of h 0 (s) are δ 0 and ω 0 respectively, the values are as follows.
In the discussion developed below, one transfer function h (s) of the resonance circuit is fixed, and the condition that the DC voltage generated from the resonance circuit having this transfer function is stable is obtained.
Transfer function near resonance frequency

数式 67の伝達関数は、共振周波数の近傍では複素数の極を
持つ一次遅れで近似出来ることをしめす。圧電トランスの入力を数式 63のu、出力をfとして演算子法で計算すると、

ここで

The transfer function in Equation 67 can be approximated by a first-order lag with complex poles in the vicinity of the resonance frequency. Using the operator method with the input of the piezoelectric transformer as u in Equation 63 and the output as f,

here

搬送波の周波数は共振周波数の近傍にあるので、数式 65の左辺からから ある正の定数Mが存在して、任意のt (0 ≦ t)にたいして 次の条件を満たすことが判る。
このとき次の評価が成り立つ。

同様に

Aについて積分を実行する。

これからAを求めると、

Aは次のように評価することができる。

同様にして、Bについて積分を実行する。

Bは次のように評価することができる。

Since the frequency of the carrier wave is in the vicinity of the resonance frequency, it can be seen that there is a positive constant M from the left side of Equation 65, and that the following condition is satisfied for an arbitrary t (0 ≤ t).
At this time, the following evaluation holds.

As well

Perform integration on A.

If you ask for A,

A can be evaluated as follows.

Similarly, integration is performed on B.

B can be evaluated as follows.

周波数変調器が出力の周波数を変調する帯域の上限がMである。 Mはδと同程度か、高々10倍の大きさである。 一方、共振周波数ω0はδの約100倍である。 また|α|=|β|である。これからBを無視しても、 誤差は高々10パーセントであることがわかる。 Bを無視した伝達関数hTは次のようになる。
このとき共振回路の出力gを次のように定義する。
共振回路の出力fとgとの差は高々数%である。これから 共振周波数の付近では、共振回路の伝達関数はhTで近似できることがわかる。
伝達関数h0(s)とその近似であるhT 0(s)との比較
The upper limit of the band in which the frequency modulator modulates the output frequency is M. M is about the same as δ or at most 10 times as large. On the other hand, the resonance frequency ω 0 is about 100 times δ. Further, | α | = | β |. It can be seen that even if B is ignored, the error is at most 10 percent. The transfer function h T ignoring B is as follows.
At this time, the output g of the resonance circuit is defined as follows.
The difference between the output f and g of the resonant circuit is at most several percent. This shows that the transfer function of the resonant circuit can be approximated by h T near the resonant frequency.
Comparison of transfer function h 0 (s) and its approximation h T 0 (s)

数式 73で与えられる伝達関数h0(s)に対してこれを近似するhT 0(s)を求め、h0(s)とhT 0(s)とを比較する。図 2において昇圧比、図 3において位相のそれぞれについてh0(s)とhT 0(s)とを同時にプロットする。この図から分かるように、hT 0(s)はh0(s)のよい近似になっている。
共振周波数近傍での微分方程式と共振のエンベロープ
Seeking h T 0 (s) that approximates the contrast transfer function being provided h 0 (s) in Equation 73 is compared with the h 0 (s) and h T 0 (s). In FIG. 2, h 0 (s) and h T 0 (s) are plotted simultaneously for the boost ratio and in FIG. As can be seen from this figure, h T 0 (s) is a good approximation of h 0 (s).
Differential equation and resonance envelope near resonance frequency

gは 数式 97からわかるように 次の微分方程式を満たす。

ここでgを実数を取る変数pとqとにより 数式 101のように変換する。 定数 rr, riを数式 102によって定義する。

ここでwを実数とすると、rr, riは次のようになる。
このときpとqとは次の方程式を満たすことがわかる。

ここでθは周波数変調器から出力される搬送波の位相である。
また数式 100と数式 64から次式を得る。
この式を数式 104と数式 105とに代入すると次のような正規な微分方程式系を得る。

共振回路の出力gの絶対値がエンベロープとなり、これをyとするとyは次式で与えられる。

共振回路からの定常出力の振幅
As shown in Equation 97, g satisfies the following differential equation.

Here, g is converted as shown in Equation 101 using variables p and q that take real numbers. Constants r r and r i are defined by Equation 102.

Here, if w is a real number, r r and r i are as follows.
It can be seen that p and q satisfy the following equation.

Here, θ is the phase of the carrier wave output from the frequency modulator.
The following equation is obtained from Equation 100 and Equation 64.
Substituting this equation into Equation 104 and Equation 105 yields the following normal differential equation system.

The absolute value of the output g of the resonance circuit is an envelope, and when this is y, y is given by the following equation.

Amplitude of steady output from resonant circuit

ここでφは一定であるとする。またp(t)とq(t)とを数式 107, 数式 108の解とする。すると

ここでrを次のように定義する。
共振回路から出力される搬送波の定常振幅は
によって与えられる。 このことから定常振幅は φ=0において最大となり、その振幅は
によって与えられることが分かる。
φの変化に対する定常振幅の変化
Here, φ is assumed to be constant. Also, let p (t) and q (t) be the solutions of Equation 107 and Equation 108. Then

Here r is defined as follows.
The steady amplitude of the carrier wave output from the resonance circuit is
Given by. From this, the steady amplitude is maximum at φ = 0, and the amplitude is
It can be seen that is given by.
Changes in steady amplitude with changes in φ

共振回路から出力される搬送波の定常振幅は
と表すことができるので、これをφで微分することにより、φがΔφだけ変化したことにより定常振幅に引き起こされる振幅の変化は
と表すことができる。
定数rの評価
The steady amplitude of the carrier wave output from the resonance circuit is
Therefore, by differentiating this by φ, the change in amplitude caused by steady amplitude by changing φ by Δφ is
It can be expressed as.
Evaluation of constant r

数式 102から
すなわち、rは数式 63で与えられている搬送波の振幅 | w | に依存する。この依存性を強調するときには、rではなく r | w | と書くことにする。すると、任意のaに対して
が成り立つ。
From Equation 102
That is, r depends on the carrier amplitude | w | To emphasize this dependency, we will write r | w | instead of r. Then, for any a
Holds.

数式 73により与えられたh0(s)に対して定義される hT 0(s)に対してrを評価すると

となる。 これから
であることが従う。
共振回路のQ値
Evaluating r against h T 0 (s) defined for h 0 (s) given by Equation 73

It becomes. from now on
Follow that.
Q value of resonant circuit

共振回路のQ値は共振回路の出力に接続されている負荷により変化する。負荷が軽くなればQ値は大きくなる。多くの共振回路では、共振周波数における出力の振幅がこのQ値に近似的に比例する。つまり、共振周波数における昇圧比が近似的のQ値に比例する。また多くの共振回路では共振周波数も負荷により変化する。すなわち共振周波数もQ値に依存する。しかし多くの共振回路でこの依存は小さい。 The Q value of the resonance circuit varies depending on the load connected to the output of the resonance circuit. The Q value increases as the load decreases. In many resonant circuits, the output amplitude at the resonant frequency is approximately proportional to this Q factor. That is, the step-up ratio at the resonance frequency is proportional to the approximate Q value. In many resonance circuits, the resonance frequency also changes depending on the load. That is, the resonance frequency also depends on the Q value. However, this dependence is small in many resonant circuits.

昇圧比が図 4に示す周波数特性を備えた圧電トランスについて、共振周波数における昇圧比とその共振周波数とについてQ値に対する依存を調べる。図 5に昇圧比のQ値依存性を、また図 6に共振周波数の負荷依存性を示す。図 5から昇圧比がほぼQ値に比例していることが分かる。図 6から、負荷が150 kΩから300 kΩまで変化すると、共振周波数は600 Hz程度シフトする。このシフトは共振周波数の120 kHzに対して十分に小さい。 With respect to the piezoelectric transformer having the frequency characteristic shown in FIG. Fig. 5 shows the Q factor dependence of the boost ratio, and Fig. 6 shows the load dependence of the resonance frequency. It can be seen from FIG. 5 that the boost ratio is almost proportional to the Q value. From Fig. 6, when the load changes from 150 kΩ to 300 kΩ, the resonance frequency shifts by about 600 Hz. This shift is small enough for the resonance frequency of 120 kHz.

ある負荷が接続された共振回路の伝達関数を数式 67に示すようにh(s)とかくと、その係数cは数式 68から次のように与えられる。
ここでgrは共振周波数における共振回路の昇圧比であり、近似的にQ値に比例する。またωrは共振周波数における角速度であり、負荷に依らず近似的に一定であると考える。これから係数cがQ値に近似的に依存しないことが分かる。つまりcは共振回路に固有であり、負荷に依らず近似的に一定であると考えることができる。
共振回路からδとrの抽出
If the transfer function of a resonance circuit to which a certain load is connected is represented by Equation 67, h (s), the coefficient c is given by Equation 68 as follows.
Here, g r is the step-up ratio of the resonance circuit at the resonance frequency, and is approximately proportional to the Q value. Further, ω r is an angular velocity at the resonance frequency, and is considered to be approximately constant regardless of the load. From this, it can be seen that the coefficient c does not approximately depend on the Q value. In other words, c is unique to the resonant circuit and can be considered to be approximately constant regardless of the load.
Extraction of δ and r from resonant circuit

数式 117と数式 103とから

Qは数十はあるので、
係数cは共振回路に固有な定数であり、wは搬送波の振幅であるので、rはQ値したがってδにほとんど依存しない数であることがわかる。このrは共振回路からの出力を測定することにより次のように直接的に求めることができる。
From Equation 117 and Equation 103

Q is dozens, so
Since the coefficient c is a constant inherent to the resonance circuit and w is the amplitude of the carrier wave, it can be seen that r is a number that hardly depends on the Q value and hence δ. This r can be directly obtained by measuring the output from the resonance circuit as follows.

共振のQ値を測定することは広く行われている。一定の振幅を持つ共振周波数の搬送波によって共振回路が駆動されている場合の共振のQ値をQとする。角速度ωrを共振周波数とすると数式 70から
によりδを求めることができる。
また共振回路から出力される搬送波の振幅の最大値をRとすると数式 114から
となり、これからrを求めることができる。このrは数式 125からほとんどδには依存しない。
エンベロープによる等価電源の構成
It is widely practiced to measure the Q value of resonance. Let Q be the Q value of resonance when the resonance circuit is driven by a carrier wave of a resonance frequency having a constant amplitude. If angular velocity ω r is the resonance frequency,
Can obtain δ.
If the maximum amplitude of the carrier wave output from the resonant circuit is R, then Equation 114
From this, r can be obtained. This r is almost independent of δ from Equation 125.
Equivalent power supply configuration with envelope

ここで安定性の解析の対象となる電源は、局所的に一定な振幅を持つ搬送波を発生するドライバー回路と、ドライバー回路の出力である搬送波によって駆動される共振回路と、共振回路の出力である振幅変調された搬送波を整流することにより直流電圧として取り出す整流平滑回路とを備える電圧発生回路と、整流平滑回路の出力である直流電圧をこの電源の出力電圧を参照電圧と比較する誤差増幅器と、誤差増幅器の出力よって決まる周波数を発生し、前記ドライバー回路を制御する周波数変調回路を備える帰還回路を含み、周波数変調器の出力は前記ドライバー回路に入力されドライバー回路の発生する搬送波の周波数の制御を行い、整流平滑回路の出力である直流電圧を搬送波の周波数に帰還することにより出力直流電圧を一定にする。この電源の構成を図 7に示す。
仮想共振回路と仮想整流平滑回路
Here, the power supply subject to stability analysis is a driver circuit that generates a carrier wave having a locally constant amplitude, a resonance circuit driven by a carrier wave that is an output of the driver circuit, and an output of the resonance circuit. A voltage generating circuit including a rectifying and smoothing circuit that extracts a DC voltage by rectifying the amplitude-modulated carrier wave, an error amplifier that compares the output voltage of the power source with a reference voltage that is an output of the rectifying and smoothing circuit, and A feedback circuit including a frequency modulation circuit that generates a frequency determined by an output of the error amplifier and controls the driver circuit, and an output of the frequency modulator is input to the driver circuit to control a frequency of a carrier wave generated by the driver circuit; The output DC voltage is made constant by feeding back the DC voltage that is the output of the rectifying and smoothing circuit to the frequency of the carrier wave. Figure 7 shows the configuration of this power supply.
Virtual resonance circuit and virtual rectification smoothing circuit

共振回路の出力は、図 8に示すように共振により振幅変調された搬送波であり、この搬送波が整流平滑回路により直流電圧に変換される。解析を容易にするために、仮想共振回路と仮想整流平滑回路を導入し、これにより共振回路と整流平滑回路を近似する。仮想共振回路は共振回路とおなじ周波数変調された搬送波を入力とし、共振回路の出力する振幅変調された搬送波ではなく、図 9に示すようにそのエンベロープを出力する。このエンベロープは仮想整流平滑回路に入力される。仮想整流平滑回路は、その出力が整流平滑回路の出力と同等なるような伝達関数を備えている。仮想整流平滑回路の入力がこの伝達関数により変換されることにより、整流平滑回路の出力と同等な出力が実現される。
仮想整流平滑回路の伝達関数
The output of the resonance circuit is a carrier wave amplitude-modulated by resonance as shown in FIG. 8, and this carrier wave is converted into a DC voltage by the rectifying and smoothing circuit. In order to facilitate the analysis, a virtual resonance circuit and a virtual rectification / smoothing circuit are introduced, thereby approximating the resonance circuit and the rectification / smoothing circuit. The virtual resonant circuit receives the same frequency-modulated carrier wave as the resonant circuit, and outputs the envelope as shown in FIG. 9 instead of the amplitude-modulated carrier wave output from the resonant circuit. This envelope is input to a virtual rectifying / smoothing circuit. The virtual rectifying / smoothing circuit has a transfer function whose output is equivalent to the output of the rectifying / smoothing circuit. By converting the input of the virtual rectifying / smoothing circuit by this transfer function, an output equivalent to the output of the rectifying / smoothing circuit is realized.
Transfer function of virtual rectification smoothing circuit

整流平滑回路は、振幅変調された搬送波を整流・平滑する事により直流電圧を生成する。このため直流電圧の生成には大きな遅れを伴う。すなわち搬送波の振幅の変化が生成される直流電圧に反映されるまでの遅れが大きい。このように遅れが大きい場合、伝達関数は一次遅れで近似できる。そこで一次遅れの伝達関数を仮想整流平滑回路に仮定する。 The rectifying and smoothing circuit generates a DC voltage by rectifying and smoothing the amplitude-modulated carrier wave. For this reason, there is a large delay in the generation of the DC voltage. That is, the delay until the change in the amplitude of the carrier wave is reflected in the generated DC voltage is large. When the delay is large in this way, the transfer function can be approximated by a first-order delay. Therefore, a first-order lag transfer function is assumed in the virtual rectification smoothing circuit.

一次遅れの時定数をμとする。整流平滑回路が、入力である高周波交流の振幅のν倍の直流電圧を生成する場合、これに対応する仮想整流平滑回路の伝達関数は
となる。 整流・平滑された整流平滑回路の出力を微分回路に入力することにより一次遅れの伝達関数をキャンセルすると、この微分回路からの出力は仮想共振回路から出力されるエンベロープそのものであると考えられる。
Let μ be the first-order delay time constant. When the rectifying / smoothing circuit generates a DC voltage that is ν times the amplitude of the high-frequency alternating current that is the input, the transfer function of the virtual rectifying / smoothing circuit corresponding thereto is
It becomes. If the first-order lag transfer function is canceled by inputting the output of the rectified and smoothed rectifying and smoothing circuit to the differentiating circuit, the output from the differentiating circuit is considered to be the envelope itself output from the virtual resonance circuit.

この νは倍圧整流にともなう乗数であるが、整流平滑回路の出力インピーダンスに関係する。整流平滑回路から出力される電圧はこの出力インピーダンスと負荷の抵抗の値によって決まるので、この意味で乗数νは整流平滑回路の出力インピーダンスと負荷の抵抗に依存する。
等価電源
This ν is a multiplier associated with the double voltage rectification, and is related to the output impedance of the rectifying and smoothing circuit. Since the voltage output from the rectifying / smoothing circuit is determined by the output impedance and the resistance value of the load, the multiplier ν depends on the output impedance of the rectifying / smoothing circuit and the resistance of the load.
Equivalent power supply

等価電源は電源の等価回路であり、ドライバー回路と仮想共振回路と仮想整流平滑回路とからなる仮想電圧発生回路と、誤差増幅器と周波数変調器とからなる帰還回路から構成される。仮想電圧発生回路によって発生された直流電圧が等価電源の出力であり、帰還回路はこの直流電圧を搬送波の周波数に帰還する。誤差増幅器は、引き算回路と位相補償回路からなる。出力電圧と参照電圧の電圧差を検出する引き算回路の出力は位相補償回路に入力される。この位相補償回路の出力が誤差増幅器の出力である。周波数変調回路は、誤差増幅器の出力よって決まる周波数を発生し、この周波数を持つ矩形波を出力する。周波数変調器の出力はドライバー回路に入力されドライバー回路の発生する搬送波の周波数を制御する。等価電源の模式図を図 10に示す。
等価電源の負荷について
The equivalent power source is an equivalent circuit of a power source, and is composed of a virtual voltage generating circuit including a driver circuit, a virtual resonance circuit, and a virtual rectifying / smoothing circuit, and a feedback circuit including an error amplifier and a frequency modulator. The DC voltage generated by the virtual voltage generation circuit is the output of the equivalent power supply, and the feedback circuit feeds back this DC voltage to the frequency of the carrier wave. The error amplifier includes a subtraction circuit and a phase compensation circuit. The output of the subtraction circuit that detects the voltage difference between the output voltage and the reference voltage is input to the phase compensation circuit. The output of this phase compensation circuit is the output of the error amplifier. The frequency modulation circuit generates a frequency determined by the output of the error amplifier and outputs a rectangular wave having this frequency. The output of the frequency modulator is input to the driver circuit and controls the frequency of the carrier wave generated by the driver circuit. Figure 10 shows a schematic diagram of the equivalent power source.
Equivalent power load

等価電源の負荷は仮想共振回路のδに反映される。負荷が重くなると、共振回路のQが小さくなり、δが大きくなる。また逆に、負荷が軽くなると、Qが大きくなり、したがってδは小さくなる。そこで等価電源の安定性を解析する場合、その負荷を駆動する仮想共振回路のδLによって負荷 Lを指定する。つまり、ある負荷 Lが接続された等価電源の安定性は、仮想共振回路のδがその負荷に対応したδLにある時の電源の安定性と理解する、
スマート電源の安定性
The load of the equivalent power source is reflected in δ of the virtual resonance circuit. As the load increases, the Q of the resonant circuit decreases and δ increases. On the other hand, when the load becomes lighter, Q becomes larger and therefore δ becomes smaller. Therefore, when analyzing the stability of the equivalent power supply, the load L is specified by δ L of the virtual resonance circuit that drives the load. In other words, the stability of the equivalent power supply to which a certain load L is connected is understood as the stability of the power supply when δ of the virtual resonance circuit is at δ L corresponding to the load.
Smart power supply stability

仮想整流平滑回路の伝達関数が数式 128で与えられるとき、その等価電源をスマート電源と呼ぶ。スマート電源ついて帰還の安定性を考察する。スマート電源では、出力電圧が仮想共振回路を駆動する搬送波の周波数へ帰還される。帰還の安定性を考察するために、出力電圧のわずかなズレを考え、このズレの帰還による変化を調べる。帰還が安定であれば、ズレは縮小する方向に変化する。ズレが拡大する方向に変化すれば、帰還は不安定である。この出力電圧のわずかなズレの帰還を考える際には、そのズレが微少であるので、δ, μ, νは一定であると仮定する。
スマート電源の一例とその微分方程式系
When the transfer function of the virtual rectifying and smoothing circuit is given by Equation 128, the equivalent power supply is called a smart power supply. Consider the stability of feedback for smart power supplies. In the smart power supply, the output voltage is fed back to the frequency of the carrier wave that drives the virtual resonance circuit. In order to consider the stability of feedback, a slight deviation of the output voltage is considered, and the change due to the feedback of this deviation is examined. If the feedback is stable, the deviation changes in a decreasing direction. If the deviation changes in the direction of expansion, the feedback is unstable. When considering the feedback of the slight deviation of the output voltage, it is assumed that δ, μ, and ν are constant because the deviation is very small.
An example of smart power supply and its differential equation system

誤差増幅器は引き算回路と位相補償回路からなる。引き算回路は分割抵抗と増幅器からなり、増幅器がその入力の電圧差を出力する。位相補償回路は増幅器とその周辺回路からなり、引き算回路の出力から誤差増幅器の出力を生成する。仮想共振回路あるいは仮想整流平滑回路の動作に比べて増幅器は十分に速く動作するので、誤差増幅器による遅れはすべてこの位相補償回路によると仮定することができる。スマート電源の一例を図 11に示す。 図 11の電源について、仮想共振回路の出力をy、仮想整流平滑回路の出力をzとすると、

またzを分割抵抗で分割した電圧d zと参照電圧nとが引き算回路の増幅器に入力される。ここでdは分割抵抗の分割比であり、位相補償回路への入力をvとすると、

と書くことができる。図 11の位相補償回路への入力をv、その出力をvoとすると、vとvo
の関係で結ばれている。これは次式のように書き直すことができる。
ここで

The error amplifier includes a subtraction circuit and a phase compensation circuit. The subtraction circuit includes a dividing resistor and an amplifier, and the amplifier outputs a voltage difference between its inputs. The phase compensation circuit includes an amplifier and its peripheral circuits, and generates an error amplifier output from the output of the subtraction circuit. Since the amplifier operates sufficiently faster than the operation of the virtual resonant circuit or the virtual rectifying / smoothing circuit, it can be assumed that all delays caused by the error amplifier are caused by this phase compensation circuit. Figure 11 shows an example of a smart power supply. For the power supply in Fig. 11, if the output of the virtual resonant circuit is y and the output of the virtual rectifying and smoothing circuit is z,

A voltage dz obtained by dividing z by a dividing resistor and a reference voltage n are input to the amplifier of the subtraction circuit. Where d is the division ratio of the dividing resistor, and v is the input to the phase compensation circuit.

Can be written. If the input to the phase compensation circuit in Fig. 11 is v and the output is v o , then v and v o are
It is tied in a relationship. This can be rewritten as:
here

数式 130から、
これから

数式 139に数式 66を適用すると、

つまりこのスマート電源は次の微分方程式系で記述される。


スマート電源のループゲイン
From Equation 130,
from now on

Applying Equation 66 to Equation 139 gives

In other words, this smart power supply is described by the following differential equation system.


Smart power supply loop gain

仮想共振回路の出力をy、仮想整流平滑回路の出力をzとすると、
またzを分割抵抗で分割した電圧d zと参照電圧nとが引き算回路の増幅器に入力される。ここでdは分割抵抗の分割比であり、位相補償回路への入力をvとすると、

と書くことができる。
If the output of the virtual resonance circuit is y and the output of the virtual rectification smoothing circuit is z,
A voltage dz obtained by dividing z by a dividing resistor and a reference voltage n are input to the amplifier of the subtraction circuit. Where d is the division ratio of the dividing resistor, and v is the input to the phase compensation circuit.

Can be written.

このとき、仮想整流平滑回路の出力zがz+Δzに変化したとすると、誤差増幅器への入力はΔvだけ変化する。ここでΔvは
である。誤差増幅器のゲインをLとすると、誤差増幅器の出力は-L Δv (= -L d Δz )だけ変化する。この結果、周波数変調器から出力される搬送波の周波数はΔφだけ変化する。ここで Δφは
と書くことができる。 このとき仮想的共振回路から出力される振幅は数式 116から
だけ変化し、これから仮想的整流平滑回路の出力は
だけ変化することが分かる。つまりループゲインは
となる。Aが誤差増幅器の直流ゲインの場合
と置くと、直流的ループゲインは
と表される。帰還回路としての安定化直流電圧電源には、出力電圧の安定性を高めるために一般に大きな直流的ループゲインが実装される。
δの近傍
At this time, if the output z of the virtual rectifying / smoothing circuit changes to z + Δz, the input to the error amplifier changes by Δv. Where Δv is
It is. When the gain of the error amplifier is L, the output of the error amplifier changes by −L Δv (= −L d Δz). As a result, the frequency of the carrier wave output from the frequency modulator changes by Δφ. Where Δφ is
Can be written. At this time, the amplitude output from the virtual resonance circuit is
The output of the virtual rectifying / smoothing circuit is
You can see that it only changes. In other words, the loop gain is
It becomes. When A is the DC gain of the error amplifier
The DC loop gain is
It is expressed. In general, a large DC loop gain is mounted on a stabilized DC voltage power source as a feedback circuit in order to increase the stability of the output voltage.
Near δ

図 12に直流的ループゲインをφの関数として示す。これから分かるようにループゲインはφ=δ/√2において最大値となり、φ =3 δで最大値のほぼ1/4となる。後の議論の便宜のために、φの変域のうち 区間[δ/√2, 3 δ]をδの近傍と定義すると定義より δの近傍では
が成り立つ。
共振回路の遅れと整流平滑回路の遅れ
Figure 12 shows the DC loop gain as a function of φ. As can be seen, the loop gain has a maximum value when φ = δ / √2, and is almost 1/4 of the maximum value when φ = 3δ. For convenience of later discussion, if we define the interval [δ / √2, 3 δ] as the neighborhood of δ in the domain of φ,
Holds.
Resonance circuit delay and rectifying and smoothing circuit delay

スマート電源における共振回路の遅れと整流平滑回路の遅れとを考える。共振回路の極の遅れをf sec, 整流平滑回路の極の遅れをμ secとすると、
である。共振回路の遅れはδによって
と評価することができる。これから
が成り立つことが分かる。
スマート電源と微分方程式系
Consider the delay of the resonant circuit and the delay of the rectifying and smoothing circuit in the smart power supply. If the pole delay of the resonant circuit is f sec and the pole delay of the rectifying and smoothing circuit is μ sec,
It is. The delay of the resonant circuit depends on δ
Can be evaluated. from now on
It can be seen that
Smart power supply and differential equation system

仮想整流平滑回路の伝達関数は次のように与えられる。
従って仮想共振回路の出力yと仮想整流平滑回路の出力zとは微分方程式
を満たす。そこでこの仮想共振回路による遅れを相殺するゼロ点を考慮したスマート電源の模式図を図 13に示す。 このスマート電源についてフィードバックの安定性を考察する。誤差増幅器は引き算回路と位相補償回路からなる。
駆動周波数が共振周波数より高い場合
The transfer function of the virtual rectifying and smoothing circuit is given as follows.
Therefore, the output y of the virtual resonant circuit and the output z of the virtual rectifying and smoothing circuit are differential equations.
Meet. Figure 13 shows a schematic diagram of a smart power supply that takes into account the zero point that offsets the delay caused by this virtual resonance circuit. Consider the stability of feedback for this smart power supply. The error amplifier includes a subtraction circuit and a phase compensation circuit.
When the drive frequency is higher than the resonance frequency

共振回路を駆動する搬送波の周波数が共振周波数より高い場合、すなわちφ ≧
0の場合には、位相補償回路の伝達関数は次のように書ける。
ここでE, AおよびBはそれぞれ正の定数である。 数式 161から
この式からzの2階微分を数式 107、数式(108を使用して計算すると、

結局、スマート電源は次の微分方程式系で記述されることが分かる。


平衡点近傍での安定性
When the frequency of the carrier wave driving the resonance circuit is higher than the resonance frequency, that is, φ ≧
In the case of 0, the transfer function of the phase compensation circuit can be written as
Here, E, A, and B are positive constants. From formula 161
From this equation, the second derivative of z is calculated using Equation 107 and Equation (108.

After all, it can be seen that the smart power supply is described by the following differential equation system.


Stability near the equilibrium point

微分方程式系
数式 166〜数式 169の平衡点はp, q, φに 関する次の方程式系の解である。

平衡点では
が成り立つので、平衡点は次の連立一次方程式の解である。

数式 175から数式 177を連立して、p, q, zをφの関数として求め、これを数式 173に代入すると数式 178を得る。 この解である平衡点をpe, qe,
ze, φeとするとき、 pe, qe, zeおよびλは、φeの関数として次にように表すことができる。

The equilibrium point of the differential equation system equations 166 to 169 is the solution of the following equation system for p, q, and φ.

At the equilibrium point
Therefore, the equilibrium point is the solution of the following simultaneous linear equations.

Formula 177 is combined with Formula 177 to obtain p, q, and z as a function of φ, and this is substituted into Formula 173 to obtain Formula 178. The equilibrium point that is the solution is denoted by p e , q e ,
When z e , φ e , p e , q e , z e and λ can be expressed as a function of φ e as follows:

Lyapunovの方法により平衡点の近傍での微分方程式系の安定性を調べる。 p, q, z, φをそれぞれpe, qe, ze, φeの近傍で次のように展開する。

この式を微分方程式系 数式 166〜数式 169に代入し高次の項を無視することによりΔp,Δq, Δz, Δφに関する次のような正規かつ線形な微分方程式系を得る。

ここで

このとき、行列Mの要素はpe, qe, ze, φeの関数となるが、数式 182により、φeの関数と考えることができる。したがって、 Mの固有多項式をm(h)とし、
と書く。係数 a0, a1, a2,
a3, a4は以下のようにφeの関数となる。

ここで、rは次にように定義されている。

駆動周波数が共振周波数より低い場合
The stability of the differential equation system near the equilibrium point is investigated by Lyapunov's method. p, q, z, and φ are expanded in the vicinity of p e , q e , z e , and φ e , respectively, as follows.

By substituting this equation into the differential equation system 166 to 169 and ignoring higher-order terms, the following normal and linear differential equation system relating to Δp, Δq, Δz, Δφ is obtained.

here

At this time, the elements of the matrix M are functions of p e , q e , z e , and φ e , but can be considered as a function of φ e by Equation 182. Therefore, let M (h) be the eigen polynomial of M,
Write. Coefficients a 0 , a 1 , a 2 ,
a 3 and a 4 are functions of φ e as follows.

Here, r is defined as follows.

When the drive frequency is lower than the resonance frequency

共振回路を駆動する搬送波の周波数が共振周波数より低い場合、すなわちφ ≦
0の場合、φを-φと置く。たとえば出力電圧が参照電圧によって設定される電圧より高い場合には、駆動周波数は共振周波数から離れる方向に動くので位相補償回路の伝達関数は次のように
数式 162と同一の式で書ける。φを-φと置くと
数式 166、数式 167は次のようになる。

数式 163からzの2階微分を数式 199、数式 200を使用して計算すると、zの2階微分にはφが含まれていないので

と数式 165と同一の式となる。
When the frequency of the carrier wave driving the resonance circuit is lower than the resonance frequency, that is, φ ≦
When 0, φ is set to -φ. For example, when the output voltage is higher than the voltage set by the reference voltage, the drive frequency moves away from the resonance frequency, so the transfer function of the phase compensation circuit is
It can be written with the same formula as Formula 162. When φ is set to −φ, Equations 166 and 167 are as follows.

When the second derivative of z is calculated from Equation 163 using Equation 199 and Equation 200, the second derivative of z does not include φ.

And the same formula as formula 165.

共振周波数よりも低い
駆動周波数の場合、スマート電源はφ ≧ 0として次の微分方程式系によって記述されることがわかる。

平衡点 pe, qe, zeおよびλは、φeの関数として次にように表すことができる。

It can be seen that for a drive frequency lower than the resonant frequency, the smart power supply is described by the following differential equation system with φ ≧ 0.

The equilibrium points p e , q e , z e and λ can be expressed as a function of φ e as follows:

この平衡点の近傍で線形化された微分方程式系
数式 202〜数式 205の固有多項式をm(h)とし、m(h)を
と表すと、
として、係数 a0, a1, a2,
a3, a4は再び数式 192〜数式 196によって与えられるので、駆動周波数が共振周波数より高い場合にも低い場合にも、
係数 a0, a1,
a2, a3, a4はφ ≧ 0として 数式 192〜数式 196によって与えられることがわかる。
固有多項式 の再定義
M (h) is an eigen polynomial of the differential equation system equations 202 to 205 linearized in the vicinity of this equilibrium point.
And
As coefficients a 0 , a 1 , a 2 ,
Since a 3 and a 4 are again given by Equations 192 to 196, both when the drive frequency is higher and lower than the resonance frequency,
Coefficients a 0 , a 1 ,
It can be seen that a 2 , a 3 , and a 4 are given by Equations 192 to 196 with φ ≧ 0.
Redefining the eigenpolynomial

数式 192〜数式 196において、項 k, d, ν, rはまとまってA, B, またはEとともに現れるので、
と置き、さらにB′とE′を

つまり

と表し、さらにこのB′とE′を再びBとEと書くと、係数 a0, a1,
a2, a3, a4は以下のようにφeの関数となる。

In Equation 192 to Equation 196, the terms k, d, ν, r appear together with A, B, or E, so
And then B ’and E ′

That is

And B 'and E' are written again as B and E. The coefficients a 0 , a 1 ,
a 2 , a 3 and a 4 are functions of φ e as follows.

またZe
によって導入すると、数式 217〜数式 221は次のように書ける。

The addition Z e
In this case, Equations 217 to 221 can be written as follows.

数式 191において定義されたMの固有多項式m(h)を、数式 217〜数式 221あるいは数式 223〜数式 227において再定義された係数 a0, a1, a2, a3, a4を用いて再び次のように定義する。

固有多項式の根
Using the coefficients a 0 , a 1 , a 2 , a 3 , a 4 redefined in Eqs. 217 to 221 or Eqs. 223 to 227, the intrinsic polynomial m (h) of M defined in Eq. Define again as follows.

Root of eigenpolynomial

スマート電源を記述する微分方程式系において、出力電圧が参照電圧の付近にある場合、言い換えると平衡点の近傍での出力電圧の振る舞いはこの微分方程式系の極によって与えられる。スマート電源を記述する微分方程式系 数式 202〜数式 204の極はこの微分方程式系の固有多項式 数式 228の根によって与えられる。 In a differential equation system describing a smart power supply, if the output voltage is near the reference voltage, in other words, the behavior of the output voltage near the equilibrium point is given by the poles of this differential equation system. The differential equation system describing the smart power source The poles of Equation 202 to Equation 204 are given by the roots of the inherent polynomial Equation 228 of this differential equation system.

帰還の安定性は固有多項式の根によって決まる。微分方程式系がLyapunovの意味で安定であるためには、固有多項式のすべての根の実部の負であることが必要十分条件である。電源を記述する微分方程式系がLyapunovの意味で安定であることは、電源の満たすべき必要条件である。Lyapunovの意味での安定性は電源の安定性としては十分ではない。例えばLyapunovの意味で安定な電源の出力電圧が振動する場合が存在する。また出力電圧が参照電圧で設定された出力電圧の近傍で振動する場合、あるいはまた長い時間をかけてに振動しながらゆっくり安定する場合もある。 The stability of the feedback is determined by the roots of the intrinsic polynomial. In order for a differential equation system to be stable in the sense of Lyapunov, it is necessary and sufficient that it be negative in the real part of all roots of the eigenpolynomial. It is a necessary condition that the power supply must satisfy that the differential equation system describing the power supply is stable in the sense of Lyapunov. Stability in the sense of Lyapunov is not enough for power supply stability. For example, there is a case where the output voltage of a stable power source vibrates in the meaning of Lyapunov. In some cases, the output voltage oscillates in the vicinity of the output voltage set by the reference voltage, or may stabilize slowly while oscillating over a long time.

電源としての望ましい特性は、固有多項式の適切な根の配置によって実現される。つまり電源のδ, μ, νの値に応じてE, B, Nの値を選び、適切な根の配置を実現することにより、望ましい特性が実現される。固有多項式の根のなかでその実部の絶対値が最小である根を特性代表根と呼ぶ。特性代表根は多項式の根のうちで実部が一番原点に近い根である。帰還により安定化された電源の出力電圧の特性はこの特性代表根に強く依存する。後ほど述べるように、特性代表根が虚根から分離された実根である場合に電源は望ましい特性を実現する。次節では実用的な仮定の下で特性代表根が虚根から分離された実根となる条件を求める。
固有関数m(h)の分解
The desired characteristics as a power source are realized by the proper root placement of the eigenpolynomials. In other words, the desired characteristics are realized by selecting the values of E, B, and N according to the values of δ, μ, and ν of the power source and realizing appropriate root placement. Among the roots of the eigenpolynomial, the root whose absolute value of the real part is the minimum is called the characteristic representative root. The characteristic representative root is a root whose real part is closest to the origin among the roots of the polynomial. The characteristic of the output voltage of the power supply stabilized by feedback strongly depends on this characteristic representative root. As will be described later, when the characteristic representative root is a real root separated from an imaginary root, the power supply realizes a desirable characteristic. In the next section, we find the condition that the characteristic representative root becomes a real root separated from the imaginary root under practical assumptions.
Decomposition of eigenfunction m (h)

固有関数m(h)は次のように書くことができる。
数式 229の右辺の第2項は帰還回路の伝達関数の分子に一致する。これから第2項は帰還回路からの寄与であることが分かる。また第1項は帰還回路の伝達関数に依存しないので高圧発生回路からの寄与であることが分かる。第一項の項hは帰還回路の原点に位置する極に対応する。項(μ h+1)は整流平滑回路に対応し、その遅れの時定数が1/μであることを示す。また項(( x + δ )2 + φ2)は共振回路に対応する。
The eigenfunction m (h) can be written as
The second term on the right side of Equation 229 matches the numerator of the transfer function of the feedback circuit. From this, it can be seen that the second term is a contribution from the feedback circuit. Also, it can be seen that the first term is a contribution from the high voltage generation circuit because it does not depend on the transfer function of the feedback circuit. The first term h corresponds to the pole located at the origin of the feedback circuit. The term (μ h + 1) corresponds to the rectifying / smoothing circuit, and indicates that the delay time constant is 1 / μ. The term ((x + δ) 2 + φ 2 ) corresponds to the resonant circuit.

数式 229から高圧発生回路の伝達関数をFw、帰還回路の伝達関数をBkとすると、定数倍と共通の定数CにたいしてC Fwと(1/C) Bkとの違いを除いてFwについて
であり、Bkについて
となり、閉ループの伝達関数Fw/(1+Fw Bk)を計算すると

となるので、固有関数m(h)は閉ループ伝達関数Fw/(1+Fw Bk)の分母に定数倍を除き一致することがわかる。
From Equation 229, if the transfer function of the high-voltage generating circuit is F w and the transfer function of the feedback circuit is B k , F w except for the difference between CF w and (1 / C) B k for constant C and the common constant C about
And about B k
And calculating the closed-loop transfer function F w / (1 + F w B k )

Therefore, it can be seen that the eigenfunction m (h) matches the denominator of the closed-loop transfer function F w / (1 + F w B k ) except for a constant multiple.

数式 229からφ=0のときのm(h)は
となる。またh=-1/μとするときのm(h)は
によって与えられる。
帰還による原点の近傍に位置する極の導入
From Equation 229, m (h) when φ = 0 is
It becomes. And when h = -1 / μ, m (h) is
Given by.
Introduction of poles near the origin by feedback

スマート電源は微分方程式系によって記述され、固有多項式はこの微分方程式系によって定まる。スマート電源は高圧発生回路と帰還回路から構成される。つまり固有多項式は高圧発生回路の伝達関数と帰還回路の伝達関数に依存する。高圧発生回路は整流平滑回路の生成する極を含む。この極は整流平滑回路の遅れに対応しており低い周波数にある。スマート電源では帰還回路に原点に位置する極を導入することにより、固有関数に原点の近傍に位置する実根を生成すると同時に整流平滑回路の遅れに対応した実根をより高い周波数に移すことにより原点の近傍の極から高い周波数に移動した極までの周波数領域に、一次遅れで近似できる広い周波数の領域を確保する。 A smart power supply is described by a differential equation system, and an intrinsic polynomial is determined by this differential equation system. The smart power supply is composed of a high voltage generation circuit and a feedback circuit. That is, the intrinsic polynomial depends on the transfer function of the high voltage generation circuit and the transfer function of the feedback circuit. The high voltage generation circuit includes a pole generated by the rectifying and smoothing circuit. This pole corresponds to the delay of the rectifying and smoothing circuit and is at a low frequency. In the smart power supply, by introducing the pole located at the origin in the feedback circuit, the real root located near the origin is generated in the eigenfunction, and at the same time the real root corresponding to the delay of the rectifying and smoothing circuit is shifted to a higher frequency. A wide frequency range that can be approximated by a first-order lag is secured in the frequency range from a nearby pole to a pole that has moved to a higher frequency.

たとえばループゲインに対応したNを大きくすることにより整流平滑回路の遅れに対応した根をより高い周波数に移すことができる。この根の移動は固有多項式の原点の近傍の根と整流平滑回路の遅れに対応した根以外の根を結果的に低い周波数に移す。一次遅れで近似できる広い周波数の領域を確保するためには電源のパラメータに応じてE, B, Nを適切に選ぶことが必要となる。
二つの関数
For example, by increasing N corresponding to the loop gain, the root corresponding to the delay of the rectifying and smoothing circuit can be shifted to a higher frequency. This movement of roots shifts the roots near the origin of the natural polynomial and the roots other than those corresponding to the delay of the rectifying and smoothing circuit to a lower frequency as a result. In order to secure a wide frequency range that can be approximated by first-order lag, it is necessary to select E, B, and N appropriately according to the parameters of the power supply.
Two functions

数式 229で与えられたm(h)の表現から関数f1(h)とf2(h)を次のように定義する。

このとき、固有多項式m(h)は
と書くことができる。
関数f1(h)
Functions f 1 (h) and f 2 (h) are defined as follows from the expression of m (h) given by Equation 229.

At this time, the proper polynomial m (h) is
Can be written.
Function f 1 (h)

関数のグラフy = f1(h)を考えると、数式 229からこのグラフは原点と-1/μにおいてh軸と交わる。また-δ ≪ -1/μであることを考慮すると、h < -1/μにおいて正の値を取る関数であることが分かる。図14にy=f1(h)のグラフを示す。
関数のグラフy = f2(h)
Considering the function graph y = f 1 (h), from equation 229 this graph intersects the h axis at the origin and -1 / μ. Considering that −δ << − 1 / μ, it can be seen that the function takes a positive value at h <−1 / μ. FIG. 14 shows a graph of y = f 1 (h).
Function graph y = f 2 (h)

関数f2(h)のグラフy = f2(h)は、φとNとが与えられた場合上に凸な二次曲線である。φとNに依らずm(h)=0が原点の近傍に実根を持つ条件を考える。グラフy = f2(h)がh軸と交点を持たない場合、Nまたは φが大きくなるとグラフは-yの方向に移動するのでグラフy = f1(h)とグラフy = f2(h)は原点の近傍に実根を持つことができなくなる。 The graph y = f 2 (h) of the function f 2 (h) is an upward convex quadratic curve when φ and N are given. Consider a condition where m (h) = 0 has a real root near the origin regardless of φ and N. If the graph y = f 2 (h) has no intersection with the h axis, the graph moves in the -y direction when N or φ increases, so graph y = f 1 (h) and graph y = f 2 (h ) Cannot have a real root near the origin.

グラフy = f2(h)がh軸と交点を持つ場合、関数f2(h)の定義からf2(h) = 0の根はすべて負の実根となる。この実根のうち絶対値が最小の実根をhaとし、他の根をhbとする。このときグラフy = f2(h)はφとNに依らずhaとhbとを通る。この実根のうちhaがh軸上の-1/μ ≦
h <0の範囲にあるときにはφとNに依らずm(h)=0が原点の近傍に実根を持つ。さらにhbはhb < -1/μを満たし、図 14に示すように整流平滑回路の遅れに対応した根-1/μはより高い周波数に移動することが分かる。
When the graph y = f 2 (h) has an intersection with the h axis, all roots of f 2 (h) = 0 are negative real roots from the definition of the function f 2 (h). Of these real roots, the real root having the smallest absolute value is set as h a , and the other roots are set as h b . At this time, the graph y = f 2 (h) passes through h a and h b regardless of φ and N. Of these real roots, h a is −1 / μ on the h axis ≦
When h <0, m (h) = 0 has a real root near the origin regardless of φ and N. Furthermore, h b satisfies h b <−1 / μ, and it can be seen that root-1 / μ corresponding to the delay of the rectifying and smoothing circuit moves to a higher frequency as shown in FIG.

実根haとhbがともにh軸上の-1/μ ≦ h <0の範囲にあるときにはm(h) = 0が-1/μ ≦
h <0の範囲に2個の実根を持つことになる。また実根haとhbとがともにh軸上の-1/μ ≦ h <0の範囲にない場合にはNまたはφが大きくなるとm(h) = 0は原点の近傍に実根を持つことができない。実根を持つ場合には-1/μ ≦ h <0の範囲に2個の実根を持つ。
When real roots h a and h b are both in the range of -1 / μ ≤ h <0 on the h axis, m (h) = 0 is -1 / μ ≤
There will be 2 real roots in the range of h <0. If both real roots h a and h b are not in the range of -1 / μ ≤ h <0 on the h-axis, m (h) = 0 must have a real root near the origin when N or φ increases. I can't. If it has real roots, it has two real roots in the range of -1 / μ ≤ h <0.

固有多項式が原点の近傍に実根を持つと同時に整流平滑回路の遅れに対応した根-1/μをより高い周波数に移すのは、haがh軸上の-1/μ ≦ h <0の範囲にある場合となる。グラフy = f2(h)がh軸と-1/μ ≦
h <0の範囲に一つの交点を持つ必要十分条件は

が同時に成り立つことである。ところで数式 239はE > 0から自動的に満たされる。数式 238から
が従う。これから
であることが分かり、またm( 0 ) >0であることからm(h) = 0は-1/μ ≦
h <0の範囲に一つの実根を持つことが分かる。また数式 240からグラフy = f2(h)がh軸と-1/μ
≦ h <0の範囲に一つの実根を持つためには
の必要であることが分かる。またf2(h) = 0が相異なる実根を持つことから
であることが分かる。
グラフy=f1(h)とy=f2(h)との交点
When the eigenpolynomial has a real root near the origin and at the same time shifts root-1 / μ corresponding to the delay of the rectifying and smoothing circuit to a higher frequency, h a is −1 / μ ≦ h <0 on the h axis. When it is in range. Graph y = f 2 (h) is h axis and -1 / μ ≤
The necessary and sufficient condition with one intersection in the range of h <0 is

Is true at the same time. By the way, Equation 239 is automatically satisfied from E> 0. From formula 238
Follow. from now on
Since m (0)> 0, m (h) = 0 is -1 / μ ≤
It can be seen that there is one real root in the range of h <0. Also, from Equation 240, the graph y = f 2 (h) is -1 / μ with h axis
To have one real root in the range ≤ h <0
It turns out that it is necessary. Since f 2 (h) = 0 has different real roots
It turns out that it is.
Intersection of graph y = f 1 (h) and y = f 2 (h)

帰還がLyapunov の意味で安定であるためには固有多項式のすべての根の実部が負であることが必要十分である。数式 240が成り立ち、固有多項式 m(h) = 0 は-1/μ ≦ h <0の範囲に一つの実根を持つことを仮定して、固有多項式のすべての根の実部が負となる条件を明らかにする。固有多項式は実根をもつので、固有多項式は4個の実根を持つ場合と、2個の実根と2個の虚根とを持つ場合がある。固有多項式m(h) = 0はh > 0においてm( h ) > 0であるので、4個の実根を持つ場合にはすべての実根は負となり、Lyapunovの意味で安定であることがわかる。 In order for feedback to be stable in the sense of Lyapunov, it is necessary and sufficient that the real part of all roots of the eigenpolynomial be negative. Assuming that Equation 240 holds and the eigenpolynomial m (h) = 0 has one real root in the range of -1 / μ ≤ h <0, the real part of all roots of the eigenpolynomial is negative. To clarify. Since the eigenpolynomial has real roots, the eigenpolynomial may have four real roots, or two real roots and two imaginary roots. Since the eigenpolynomial m (h) = 0 is m (h)> 0 when h> 0, it can be seen that all four real roots are negative and stable in the sense of Lyapunov.

固有多項式m(h)が実根h1, h2の他に2個の虚根h3, h4を持つとき、虚根h3, h4は共通の実部hrを持つ。このとき実根h1, h2とグラフy = f2(h)とh軸との交点ha, hb
の関係にある。根と係数の関係から

が成り立ち、
がなりたつので、実根の評価から虚根の実部の概略を評価することが可能になる。
When the eigen polynomial m (h) has two imaginary roots h 3 and h 4 in addition to the real roots h 1 and h 2 , the imaginary roots h 3 and h 4 have a common real part h r . At this time, the intersections h a and h b between the real roots h 1 and h 2 and the graph y = f 2 (h) and the h axis are
Are in a relationship. From the relationship between roots and coefficients

And
Therefore, it becomes possible to evaluate the outline of the real part of the imaginary root from the evaluation of the real root.

数式 247からhrが負となるためには
が必要十分条件である。数式 248の十分条件はいろいろな形で表現することができる。 たとえば
が成り立つ場合、
が成りたち、h1は原点の近傍に位置するので、
と評価することができ、根は原点に近い順番にh1、次にh2と虚根の実部とが前後して並ぶことが分かる。同様にして
が成り立つ場合、
と見積もることができ、根は原点に近い順番にh1、h2、虚根の実部と並ぶことが分かる。また数式 249は
と書くことができるので
は数式 249の十分条件となることが分かる。
BによるNへの制限
To make h r negative from Equation 247
Is a necessary and sufficient condition. The sufficient condition of Equation 248 can be expressed in various ways. For example
If
Since h 1 is located near the origin,
It can be seen that the roots are arranged in the order close to the origin, h 1 , and then h 2 and the real part of the imaginary root. In the same way
If
It can be estimated that the roots are aligned with h 1 , h 2 , and the real part of the imaginary root in the order closer to the origin. Equation 249 is
Because you can write
Shows that this is a sufficient condition of Equation 249.
Limit to N by B

数式 247から分かるように、h2が-2δの付近の値であり、
の時には
となるので、虚根の実部hrは原点の近傍にあるが
を満たす。つまりh2が-2δに向かって小さくなると、hrは負の側から原点に向かって大きくなる。h2が-2δを超えてさらに小さくなると、hrは原点を超えて正となり、帰還はLyapunov の意味でも安定ではなくなる。
As can be seen from Equation 247, h 2 is a value near -2δ,
At the time of
Therefore, the real part h r of the imaginary root is near the origin,
Meet. That is, as h 2 decreases toward −2δ, h r increases from the negative side toward the origin. If h 2 becomes smaller than -2δ, h r becomes positive beyond the origin, and feedback is not stable in the sense of Lyapunov.

hbが-2δより大きい場合には、どのように大きくなNにたいしてもh2はつねに-2δより大きくなり、hrが正となることはない。しかしながらhbが-2δより十分に小さい場合にはNを大きくすると、h2が-2δを超えて小さくなるので帰還は不安定になる。つまりhbが-2δより十分に小さい場合には安定な帰還を実現するためにはNに上限のあることが分かる。 If h b is greater than -2δ, no matter how large N, h 2 will always be greater than -2δ and h r will never be positive. However, when h b is to increase the N in the case sufficiently smaller than -2Deruta, feedback because h 2 becomes smaller than the -2Deruta it becomes unstable. That is, when h b is sufficiently smaller than −2δ, it can be seen that N has an upper limit in order to realize stable feedback.

関数f2( h )はhの関数として
と書くことができ、haが原点の近傍にあるのでhbについて
の成り立つことがわかる。したがってBが小さくなるとhbは-2δを越えて小さくなる。これからLyapunov の意味で安定な帰還を実現するためには、Bが1/(2δ)より小さい場合にはNに上限のあることがわかる。
The function f 2 (h) is a function of h
It can be written as, for h b because h a is in the vicinity of the origin
You can see that Therefore, as B decreases, h b decreases beyond -2δ. From this, in order to realize stable feedback in the sense of Lyapunov, it is understood that N has an upper limit when B is smaller than 1 / (2δ).

まとめると、数式 240が成り立っている場合すなわち
である場合、Bが1/(2δ)より十分に大きい場合に帰還はNに依らずLyapunov の意味で安定となるが、Bが1/(2δ)より小さい場合にはLyapunovの意味で安定な帰還を実現するためにはNに上限が必要となる。
φの関数としての固有関数m(h)
In summary, if Formula 240 holds:
If B is sufficiently larger than 1 / (2δ), the feedback is stable in the sense of Lyapunov regardless of N, but is stable in the sense of Lyapunov when B is smaller than 1 / (2δ). In order to realize feedback, an upper limit is required for N.
Eigenfunction m (h) as a function of φ

数式 229から固有関数m(h)は次のように書ける。


h ≦ -1/μかつBh2
+ h + E ≧ 0の場合
From Equation 229, the eigenfunction m (h) can be written as


h ≤ -1 / μ and Bh 2
+ h + E ≥ 0

数式 262からわかるように
ならば第一項は正となり、
を満たすならば第二項も正となるので
がφに依らず常に成り立つ。
たとえばB < μならば h = -1/BにおいてBh2+ h +E =
Eとなるので
がφに依らず成り立つ。
h ≦ -1/μかつBh2
+ h + E < 0の場合
As you can see from Equation 262
Then the first term is positive,
The second term is also positive if
Always holds regardless of φ.
For example, if B <μ, Bh 2 + h + E = at h = -1 / B
Because it becomes E
Holds regardless of φ.
h ≤ -1 / μ and Bh 2
+ h + E <0

数式 262からわかるように固有多項式m(h)はhのみならずφに依存する。hを固定してφの関数と考えたm(h)をEh(φ)と表す。すなわち
と定義する。まずEh(x)のxに関する微分を計算する。

ここでx=0におけるE′h(x)を求めると、仮定から
であるので
であることがわかる。またxが大きいところでは明らかに
となるので、
を満たすxの存在することがわかる。
As can be seen from Equation 262, the intrinsic polynomial m (h) depends not only on h but also on φ. m (h) considered as a function of φ with h fixed is represented as E h (φ). Ie
It is defined as First, the derivative of E h (x) with respect to x is calculated.

If we find E ′ h (x) at x = 0,
Because
It can be seen that it is. Also clearly where x is large
So,
It can be seen that there exists x satisfying.

ここでEh(x)のxに関する二階微分を計算すると

となる。この式と仮定からx ≧ 0において
が成り立つ。これからEh(x)はxの関数として下に凸であることがわかる。数式 270と数式 271とから、数式 272を満たすxがただ一つ存在する。数式 272を満たすxをφhと書くと、関数Eh(x)はx=φhにおいて最小値を持つ。E′h
h)=0から

これからφhを使ってNを
と表すことができる。
If we calculate the second derivative of E h (x) with respect to x,

It becomes. From this equation and assumption, if x ≥ 0
Holds. This shows that E h (x) is convex downward as a function of x. From Equation 270 and Equation 271, there is only one x that satisfies Equation 272. Writing x satisfying Equation 272 and phi h, the function E h (x) has a minimum at x = phi h. E ′ h
From (φ h ) = 0

The N using the future φ h
It can be expressed as.

数式 276を使って最小値Ehh)を求めると、

となる。これからh = -δにおいてBh2 + h + E < 0が満たされている場合、すなわち
ならば-δ < -1/μであるので
であることが分かる。
Using Equation 276 to find the minimum value E hh ),

It becomes. From now on, when Bh 2 + h + E <0 is satisfied at h = -δ, that is,
Then -δ <-1 / μ
It turns out that it is.

数式 277から
が満たされているとき、Ehh)が正となるφh > 0を満たすφhが存在する。最小値Ehh)が正となるφhの変域は次のように求めることができる。Gh
と定義する。ただしgh( φ )は次のように定義する。

ここで数式 282は数式 277の部分項である。
From Equation 277
When is satisfied, E h (φ h) a positive satisfy φ h> 0 φ h is present. The domain of φ h where the minimum value E hh ) is positive can be obtained as follows. G h
It is defined as Where g h (φ) is defined as follows.

Here, Equation 282 is a partial term of Equation 277.

Gを
と定義する。 gh(x)はx ≧
0においてxの単調減少関数である。gh(x)のx=δ/√2における値を計算すると
これから-2 δ ≦ h ≦
-1/μの場合
またh ≦ -2 δ の場合
の成り立つことが分かる。
Nから決まるφhとEh( φh )
G
It is defined as g h (x) is x ≥
0 is a monotonically decreasing function of x. Calculating the value of g h (x) at x = δ / √2
-2 δ ≤ h ≤
-1 / μ
If h ≤ -2 δ
It can be seen that
Φ h and E hh ) determined from N

δ (>0) があたえられているとき、x ≧ 0を変域とするxの関数ml(x)を次のように定義する。
定義からml(0) = 0であり、またxが単調に無限大に増大するとき ml(x)は単調に無限大に転移する。 従って任意にあたえられた正数Tに対して、
を満たすxが一意的に存在する。
When δ (> 0) is given, a function ml (x) of x whose domain is x ≧ 0 is defined as follows.
By definition, ml (0) = 0 and when x increases monotonically to infinity, ml (x) monotonically transitions to infinity. Therefore, for a positive number T given arbitrarily,
X that satisfies the condition uniquely exists.

Nは定義より定数であり、したがってhに依らない。数式 276を次のように書き直す。
数式 289の右辺において、δ, μを定数、N, E, Bはあらかじめ与えられた定数と考えると、右辺はhの関数となる。数式 289は任意のh < -1/μに対してφhが一意的に決まることを示している。任意のh ≦
-1/μに対してφhが一意的に決まり、したがってEhh)が決まる。このときh ≦
-1/μを満たすhにEhh)を対応させる関数をF( h )と書くと、F( h )は

を同時に満たすhすなわち
に対して定義された
のN, E, Bに依存して決まる関数である。Nを大きくするとF(h) < 0となるhの範囲が広がり、小さくすると狭くなるので、NによりF(h) < 0となるhの範囲を制御することができる。
N is a constant by definition and therefore does not depend on h. Rewrite Equation 276 as follows:
On the right side of Equation 289, assuming that δ and μ are constants and N, E, and B are constants given in advance, the right side is a function of h. Equation 289 indicates that φ h is uniquely determined for an arbitrary h <−1 / μ. Any h ≤
Φ h is uniquely determined for −1 / μ, and therefore E hh ) is determined. Then h ≤
If we write F (h) as a function that makes E hh ) correspond to h satisfying -1 / μ, F (h) becomes

Meet simultaneously h ie
Defined for
This function depends on N, E, and B. When N is increased, the range of h where F (h) <0 widens, and when it is decreased, the range of h becomes narrower. Therefore, the range of h where F (h) <0 can be controlled by N.

F( h ) > 0ならば任意のφ > 0にたいしてm( h ) > 0となるので、固有多項式m( h )はF( h ) > 0を満たすhの領域にφに依らず実根を持つことはない。
原点の近傍の実根の評価
If F (h)> 0, then m (h)> 0 for any φ> 0, so the eigenpolynomial m (h) has a real root in the region of h that satisfies F (h)> 0 regardless of φ There is nothing.
Evaluation of real roots near the origin

帰還が安定になるためには数式 240と数式 243とから

の同時に成り立つことが必要であり、さらにたとえば
が成り立つとき帰還はNに依らず安定となる。
In order for feedback to be stable, from Equation 240 and Equation 243

It is necessary to hold at the same time.
When holds, the feedback is stable regardless of N.

実際の回路では出力電圧にリップルが重畳する。Nはこのリップルの増幅に関係し、Bはリップルの微分に関係する。Nを大きくするとリップルが大きくなるので、Nは実際にはリップルにより制限される。この結果、帰還の安定性を損なうことなくBを
とすることが可能になる。リップルとの関係で実際の回路では

が実用的な定数の選択となる。EとBとが数式 298と数式 299とに従うとき、数式 228においいて定義された固有多項式 m(h)は-Eの近傍に実根の特性代表根を持つことが分かる。
In an actual circuit, a ripple is superimposed on the output voltage. N is related to the amplification of this ripple, and B is related to the differentiation of the ripple. As N increases, the ripple increases, so N is actually limited by the ripple. As a result, B can be used without sacrificing feedback stability.
It becomes possible. In the actual circuit in relation to ripple

Is a practical choice of constants. When E and B follow Equation 298 and Equation 299, it can be seen that the eigen polynomial m (h) defined in Equation 228 has a real characteristic root in the vicinity of -E.

言い換えると、図 13に示されたスマート電源の模式図において、この電源に十分な直流的ループゲインが実装され、かつ条件 数式 298および数式 299を満たしているEおよびBによって位相補償回路の伝達関数が次のように与えられているとき、
固有多項式は-Eの近傍に実根の特性代表根を持つ。
固有多項式m(h)の値
固有多項式 m(h)のh=-E/2における値
In other words, in the schematic diagram of the smart power supply shown in FIG. 13, the transfer function of the phase compensation circuit is expressed by E and B that have sufficient DC loop gain implemented in the power supply and satisfy the conditions 298 and 299. Is given by
The eigenpolynomial has a real characteristic root near -E.
Value of eigenpolynomial m (h) Value of eigenpolynomial m (h) at h = -E / 2

たとえば、固有多項式m(h)のh=-E/2における値を考える。

となり、数式 301を書き換えると次式を得る。

For example, consider the value of the eigen polynomial m (h) at h = −E / 2.

Thus, when the equation 301 is rewritten, the following equation is obtained.

E ≪ δであり、δ< Zeである。またE μ < 1であるので
が成り立つ。一方 Bは近似的に1/δに等しく、またE ≪ δであるので
となる。 φeN/Ze 3は平衡点φeにおける直流的ループゲインであり、すくなくとも数十はあるので
となることが分かる。
固有多項式 m(h)のh=-2 Eにおける値
E «is a δ, is a δ <Z e. Also because E μ <1.
Holds. On the other hand, B is approximately equal to 1 / δ, and E << δ
It becomes. φ e N / Z e 3 is the DC loop gain at the equilibrium point φ e , and there are at least several tens.
It turns out that it becomes.
The value of the eigenpolynomial m (h) at h = -2 E

また、m(h)のh=-2 Eにおける値を考える。

となり、数式 307を書き換えると次式を得る。

Also consider the value of m (h) at h = -2E.

When Equation 307 is rewritten, the following equation is obtained.

同様の議論により

が成り立つので
となることが分かる。これからm(h)は-1/2 Eから-2Eの区間に少なくとも1個の根を持つことが分かる。次に示すように同様の方法でm(h)は-Eの近傍に根を持つことが分かる。
固有多項式 m(h)のh=-σ Eにおける値
Based on similar discussion

Because
It turns out that it becomes. This shows that m (h) has at least one root in the interval from -1/2 E to -2E. As shown below, it can be seen that m (h) has a root in the vicinity of -E by the same method.
Value of eigenpolynomial m (h) at h = -σ E

m(h)のh=-σ Eにおける値は

となる。m( -σ E) = 0を満たすσは、数式 306と数式 312から
であることが分かる。 また
The value of m (h) at h = -σ E is

It becomes. σ satisfying m (-σ E) = 0 is obtained from Equation 306 and Equation 312.
It turns out that it is. Also

同様にして
またμ E < 1であるので
と評価できる。φe N/Ze 3は平衡点φeにおける直流的ループゲインであり、すくなくとも数十はあるので、m( -σ E) = 0となるためには 括弧のなかの第一項の分子の部分項σ2EB-σ+1について
が成り立つ。
In the same way
Also because μ E <1
Can be evaluated. φ e N / Z e 3 is a direct current loop gain at the equilibrium point φ e , and there are at least several tens. On the subterm σ 2 EB-σ + 1
Holds.

そこでσに関する二次方程式
を考え、この根で数式 318の根を近似する。二次方程式 319の根をσ1, σ2とし、σ1
σ2とする。EB ≪ 1であるので、σ1は1の近傍にある。また次のようにσの関数を定義すると
この関数のσ =1における傾きは
と評価できる。 直流的ループゲインN φe/Ze 3が大きいので直線の傾きは急峻となりなり、したがって固有方程式m(h) = 0はh = -Eの近傍に根を持つ。
E B < 1/4の場合
So a quadratic equation for σ
And approximate the root of Equation 318 with this root. Let σ 1 and σ 2 be the roots of the quadratic equation 319, and σ 1
σ 2 is assumed. Since EB << 1, σ 1 is in the vicinity of 1. And if we define the function of σ as
The slope of this function at σ = 1 is
Can be evaluated. Since the direct current loop gain N φ e / Z e 3 is large, the slope of the straight line becomes steep, and the eigen equation m (h) = 0 has a root in the vicinity of h = −E.
When EB <1/4

数式 243からBとEは条件
を満たす。このときσの関数f1( σ )とf2( σ )とを数式 313をもとに次のように定義する。

m( -σ E ) =
0をみたすσは方程式f1( σ )-f2(
σ ) = 0から求めることができる。f1( σ ) = 0の根をσ1, σ2とし、σ1 ≦ σ2とする。 f2( σ ) = 0の根はσ = 0とσ = 1/(μ E)の根を含む。σが[0,1/(μ
E)]の範囲にあるとき
であるので

したがってσが[0, 1/(μ E)]の範囲にあるとき関数f2( σ )は次に定義するσに関する2次関数f3(σ)で近似することができる。
方程式f1(σ) - f2(σ) = 0の代わりに方程式f1(σ) -
f3(σ) = 0からm(-σ E) = 0をみたすσの近似解を求める。
From Equation 243 B and E are conditions
Meet. At this time, the functions f 1 (σ) and f 2 (σ) of σ are defined as follows based on Equation 313.

m (-σ E) =
Σ that satisfies 0 is the equation f 1 (σ) -f 2 (
It can be obtained from σ) = 0. Let the roots of f 1 (σ) = 0 be σ 1 , σ 2 and σ 1 ≦ σ 2 . The roots of f 2 (σ) = 0 include the roots of σ = 0 and σ = 1 / (μ E). σ is [0,1 / (μ
E)]
Because

Therefore, when σ is in the range of [0, 1 / (μ E)], the function f 2 (σ) can be approximated by a quadratic function f 3 (σ) relating to σ defined below.
Equation f 1 (σ) - f 2 (σ) = equation f 1 instead of 0 (sigma) -
Find an approximate solution of σ that satisfies m (-σ E) = 0 from f 3 (σ) = 0.

グラフy = f1(σ)とグラフ関数y = f3(σ)の交点を考える。ところでσ = 1/(μ E)におけるf1( σ)を計算すると、数式 240から
となる。一方、f3(σ)について0 ≦
σ ≦ 1/(μ E)のσの範囲で
が成り立つ。故にグラフy = f1(σ)とグラフ関数y = f3(σ)の交点のσはσ1より小さい。またE
B < 1/4であることからσ1
と評価される。
Consider the intersection of graph y = f 1 (σ) and graph function y = f 3 (σ). By the way, if f 1 (σ) at σ = 1 / (μ E) is calculated,
It becomes. On the other hand, 0 ≤ f 3 (σ)
In the range of σ σ ≤ 1 / (μ E)
Holds. Therefore, σ at the intersection of graph y = f 1 (σ) and graph function y = f 3 (σ) is smaller than σ 1 . E
Since B <1/4, σ 1 is
It is evaluated.

条件

が満たされるとき、直流的ループゲインの大きさを仮定することなく固有多項式m( h ) = 0の原点の近傍の根h1について
と評価することができる。
二つの関数
conditions

For the root h 1 near the origin of the eigenpolynomial m (h) = 0 without assuming the magnitude of the DC loop gain
Can be evaluated.
Two functions

数式 191で定義された係数 a0, a1, a2, a3, a4を使って関数f1(h)とf2(h)を次のように定義する。

このとき、固有多項式m(h)は
と書くことができる。
The functions f 1 (h) and f 2 (h) are defined as follows using the coefficients a 0 , a 1 , a 2 , a 3 , a 4 defined in Expression 191.

At this time, the proper polynomial m (h) is
Can be written.

関数f1(h)はhの関数であるのみならずφeの関数でもある。条件μ δ ≫ 1の仮定の下、関数f1(h)はh < 0において、φe
δ/√8のときhの関数として単調減少関数となり、またφe
≧ δ/√2のときhの関数として下に凸な関数となることが次のようにして分かる。
関数f1(h)
The function f 1 (h) is not only a function of h but also a function of φ e . Under the assumption of the condition μ δ >> 1, the function f 1 (h) is h <0 and φ e
It becomes a monotonically decreasing function as a function of h when δ / √8, also phi e
It can be seen that when ≧ δ / √2, a downward convex function is obtained as a function of h as follows.
Function f 1 (h)

条件μ δ ≫ 1を仮定する。数式 191で定義されているようにa0 =
1である。
となる。

また、μ δ ≫ 1であるから
これから
となり、したがって
これから
が従い、

となる。これからすべての hにたいして
となることが分かる。関数のグラフy = f1(h)を考えると、数式 349からこのグラフは原点に2重根を持ち、原点以外では常に正の値を取る関数であることが分かる。
The condition μ δ >> 1 is assumed. A 0 = as defined in Equation 191
1.
It becomes.

Also, since μ δ >> 1
from now on
And therefore
from now on
Follow,

It becomes. From now on for all h
It turns out that it becomes. Considering the function graph y = f 1 (h), Equation 349 shows that this graph has a double root at the origin, and always takes a positive value except at the origin.

これから数式 349を適当な正数P, Qによって
と書くと、

となる。
From now on, Equation 349
And write

It becomes.

一方、数式 350を使うとf1(h)は次のようにかける。
これからf1(h)の微分を計算すると
これからhによらず
が成り立つとき、h ≦ 0において f1(h)の微分は負となり f1(h)は減少関数になる。ところで

これから
であれば、hによらず不等式 数式 355が成り立ち、h ≦ 0においてf1(h)の一回微分は負となり、f1(h)は減少関数となる。
On the other hand, using Equation 350, f 1 (h) is multiplied as follows.
If we calculate the derivative of f 1 (h)
Regardless of h
When the holds, f 1 becomes the differential negative f 1 (h) in h ≦ 0 (h) becomes decreasing function. by the way

from now on
Then, the inequality Equation 355 holds regardless of h, and when h ≦ 0, the first derivative of f 1 (h) is negative, and f 1 (h) is a decreasing function.

さらにf1(h)の二回微分を計算すると
これからhによらず
が成り立つとき、f1(h)の二回微分正となり f1(h)は下に凸な関数となる。ところで

これから
であれば、hによらず不等式 数式 361が成り立ち、f1(h)の二回微分は正となり、f1(h)は下に凸な関数になる。
If we calculate the second derivative of f 1 (h)
Regardless of h
When the holds, f 1 becomes twice differentiated positive f 1 (h) (h) is a convex function below. by the way

from now on
If the inequality equation 361 holds regardless of the h, second order differential of f 1 (h) is positive, f 1 (h) is a convex function below.

φeが次の条件
を満たしているときy = f1(h)はh < 0で単調に減少する下に凸な関数となる。従って直線y =
f2( h )との交点はたかだか2個である。
関数のグラフy = f2(h)
φ e is the following condition
Y = f 1 (h) is a downward convex function that decreases monotonically at h <0. So the straight line y =
There are at most two intersections with f 2 (h).
Function graph y = f 2 (h)

関数f2(h)のグラフy = f2(h)は直線である。直線の傾きは-a3、y軸との交点は-a4、x軸との交点は-a4/a3である。ここでa3, a4は数式 223〜(227から次のように与えられる。

直線の傾きは
と書けるので、φeの増加に伴い傾きの勾配は急になる。 また

であることが分かる。 これから
であることが分かる。
The graph y = f 2 (h) of the function f 2 (h) is a straight line. The slope of the straight line is -a 3 , the intersection with the y-axis is -a 4 , and the intersection with the x-axis is -a 4 / a 3 . Here, a 3 and a 4 are given by the following formulas 223 to (227.

The slope of the straight line is
The slope of the slope becomes steep as φ e increases. Also

It turns out that it is. from now on
It turns out that it is.

十分な直流的ループゲインが組み込まれていることを考えると、数式 156から
となるので、数式 370は次のようになる。
つまり、 グラフy = f2(h)のh軸との交点は-Eで近似することができる。
安定な帰還の実現
固有多項式の特性代表根
Considering that enough DC loop gain is built in, from Equation 156
Therefore, Formula 370 is as follows.
In other words, the intersection of the graph y = f 2 (h) with the h axis can be approximated by -E.
Realization of stable feedback Characteristic root of characteristic polynomial

固有多項式の原点の近傍の実根をe0とすると、e0は固有多項式の特性代表根であり、したがって出力電圧は近似的に
の時間的経過で立ち上がる。つまり立ち上がりの時定数は1/e0である。また実際の回路における実用的な設定ではe0はEの近傍にあるので、立ち上がりの時定数は近似的に1/Eとなる。Eが小さくなればe0は小さくなり、Eが大きくなればe0も大きくなる。Eを大きくすれば立ち上がりは早くなる。
If the real root near the origin of the eigenpolynomial is e 0 , e 0 is the characteristic root of the eigenpolynomial, so the output voltage is approximately
Stand up over time. In other words, the rise time constant is 1 / e 0 . Also, in a practical setting in an actual circuit, e 0 is in the vicinity of E, so the rise time constant is approximately 1 / E. As E decreases, e 0 decreases, and as E increases, e 0 increases. If E is increased, the start-up becomes faster.

さらにEを大きくすると、Eはやがて数式 240あるいは数式 243を満たさなくなる。これに伴い出力電圧にオーバーシュートが現れる。これは特性代表根e0が虚根に変わったことに対応する。これについて図 15における関数 y = f1(h)と y = f2(h)をもとに考察する。関数 y = f1(h)はEに依存しないが、y = f2(h)はEに依存する。y = f2(h)の傾きはEに依らないが、y軸との切片はEの関数となるので、Eが大きくなるとy = f2(h)は原点からと遠ざかる方向に平行移動する。この結果、図 15に示されている実根h1, h2はEの増加に伴いお互いに近づき、関数が接した状態でh1 = h2となり、さらにEが増加すると2個の虚根に変化する。
整流平滑回路の時定数μと乗数ν
If E is further increased, E will eventually fail to satisfy Equation 240 or Equation 243. As a result, an overshoot appears in the output voltage. This corresponds to the characteristic representative root e 0 being changed to an imaginary root. This is discussed based on the functions y = f 1 (h) and y = f 2 (h) in Fig. 15. The function y = f 1 (h) does not depend on E, but y = f 2 (h) depends on E. The slope of y = f 2 (h) does not depend on E, but the intercept with the y-axis is a function of E. Therefore, when E increases, y = f 2 (h) translates away from the origin. . As a result, the real roots h 1 and h 2 shown in Fig. 15 approach each other as E increases, and h 1 = h 2 when the function is in contact. Change.
Time constant μ and multiplier ν of rectifying and smoothing circuit

時定数μは整流平滑回路を一次遅れの仮想的整流平滑回路によって近似する際の時定数として数式 128において導入された。共振回路を記述するパラメータには、共振周波数、共振周波数におけるゲイン、共振の半値幅がある。共振回路が整流平滑回路を充放電する過程を記述するためのあたらしいパラメータとして、共振回路が整流平滑回路を充放電する際の時定数μと、出力インピーダンスと負荷と整流回路の倍圧に依存して決まる乗数νを導入した。ここでμもνも出力電圧と出力電流の関数であるが、出力電圧、出力電流の変化に対して緩やかに変化するので、ある指定された出力電圧、出力電流の近傍では定数と近似することができる。
整流平滑回路の充電と放電
The time constant μ is introduced in Equation 128 as a time constant for approximating the rectifying / smoothing circuit with a virtual rectifying / smoothing circuit with a first order delay. Parameters describing the resonance circuit include a resonance frequency, a gain at the resonance frequency, and a half width of resonance. As a new parameter for describing the process by which the resonant circuit charges and discharges the rectifying and smoothing circuit, it depends on the time constant μ when the resonant circuit charges and discharges the rectifying and smoothing circuit, the output impedance, the load, and the double voltage of the rectifying circuit. The multiplier ν determined by Here, μ and ν are functions of the output voltage and output current, but they change slowly with changes in the output voltage and output current, so they should be approximated as constants in the vicinity of the specified output voltage and output current. Can do.
Charging and discharging of rectifying and smoothing circuit

スマート電源では、出力電圧は整流平滑回路により生成される。整流平滑回路は内部にキャパシタを含み、その出力電圧はこのキャパシタによってバッファされる。このバッファリングにより出力電圧に含まれるリップルが減少する。たとえば出力電圧が正である場合、整流平滑回路は電荷をキャパシタに汲み上げ出力電圧を上昇させることはできるが、キャパシタから電荷をくみ出し電圧を下げることはできない。整流平滑回路の出力電圧は,おもに負荷抵抗と平滑回路のキャパシタンスによって決まる時定数より早く降下することができない。平滑回路に入力される電圧がこの時定数より早く降下した場合、整流回路の出力は平滑回路のキャパシタンスを充電することができない。つまり整流平滑回路に電流は流れ込まない。
通電状態
In the smart power supply, the output voltage is generated by a rectifying and smoothing circuit. The rectifying / smoothing circuit includes a capacitor therein, and its output voltage is buffered by this capacitor. This buffering reduces the ripple contained in the output voltage. For example, when the output voltage is positive, the rectifying / smoothing circuit can pump the charge into the capacitor and raise the output voltage, but cannot draw the charge from the capacitor and lower the voltage. The output voltage of the rectifying and smoothing circuit cannot drop faster than the time constant determined mainly by the load resistance and the capacitance of the smoothing circuit. If the voltage input to the smoothing circuit drops earlier than this time constant, the output of the rectifier circuit cannot charge the capacitance of the smoothing circuit. That is, no current flows into the rectifying / smoothing circuit.
Energized state

そこで整流平滑回路に電流が流れている通電状態と電流が流れ込まない切断状態を区別する。切断状態では出力電圧の低下を伴う。一定の負荷のもとで一定の電圧を出力する状態は通電状態である。一定の負荷のもとで参照電圧で指定された一定の電圧を出力する状態では、出力電圧の上昇を実現する整流平滑回路へ流れる電流の増加、また下降を実現する電流の減少は、一定の電圧を出力する平衡状態における電流の変化に帰着するので、通電状態での電源の動作は微分方程式系
数式 166〜数式 169で記述するこが可能となり、この微分方程式系のμはこの平衡状態を実現する電流が流れたときの整流平滑回路の時定数であることが分かる。このことから電圧が上昇するときの時定数と下降するときの時定数が第一近似で一致することがわかる。
Therefore, an energized state in which a current flows through the rectifying and smoothing circuit and a disconnected state in which no current flows are distinguished. In the disconnected state, the output voltage decreases. A state in which a constant voltage is output under a constant load is an energized state. In a state where a constant voltage specified by a reference voltage is output under a constant load, an increase in current flowing to the rectifying / smoothing circuit that realizes an increase in output voltage and a decrease in current that realizes a decrease are constant. Since this results in a change in current in an equilibrium state that outputs voltage, the operation of the power supply in the energized state can be described by the differential equation system equations 166 to 169, and μ in this differential equation system represents this equilibrium state. It can be seen that this is the time constant of the rectifying and smoothing circuit when the current to be realized flows. This shows that the time constant when the voltage rises matches the time constant when the voltage falls in the first approximation.

通電状態では帰還が有効に働くので、定常状態では出力電圧と参照電圧の差は微少に保たれる。したがって、微分方程式系の安定性と電源の安定性は等価である。電源が安定となる条件は、微分方程式系が安定となる条件から、特性代表根の実部が負であり、実部がその虚部に較べて絶対値において同程度あるいは大きいことである。
切断状態
Since feedback works effectively in the energized state, the difference between the output voltage and the reference voltage is kept small in the steady state. Therefore, the stability of the differential equation system and the stability of the power source are equivalent. The condition for the power supply to be stable is that the real part of the characteristic representative root is negative and the real part is the same or larger in absolute value than the imaginary part from the condition that the differential equation system is stable.
Disconnected state

出力電圧がたとえば参照電圧より高くなり、整流平滑回路に流れる電流をゼロまで減らしても出力電圧が参照電圧より高い場合に切断状態となる。切断状態では帰還が有効に働かないために出力電圧と参照電圧の差は有限な値となる。切断状態ではキャパシタに蓄えられた電荷を負荷の抵抗を通して放電することにより出力電圧は下降する。放電する場合の時定数は、キャパシタと負荷の抵抗によって決まる時定数より小さくなることはない。切断状態は、出力電圧が参照電圧より低くなった時点で整流平滑回路に電流が流れ始めるので、通電状態に切り替わる。
切断状態から通電状態へ切り替わり
For example, when the output voltage is higher than the reference voltage and the output voltage is higher than the reference voltage even if the current flowing through the rectifying and smoothing circuit is reduced to zero, the disconnection state is established. Since feedback does not work effectively in the disconnected state, the difference between the output voltage and the reference voltage is a finite value. In the disconnected state, the output voltage drops by discharging the charge stored in the capacitor through the resistance of the load. The time constant for discharging is not smaller than the time constant determined by the resistance of the capacitor and the load. The disconnected state is switched to the energized state because current starts to flow through the rectifying / smoothing circuit when the output voltage becomes lower than the reference voltage.
Switch from disconnected to energized state

通電状態に切り替わると、出力電圧が上昇する。一般に出力電圧が上昇するためには、共振回路が整流平滑回路のキャパシタを充電し、かつ負荷に電流を供給することが必要である。充電する場合の時定数は負荷が軽くなるに伴い小さくなり、負荷に依存する。しかし通電状態では帰還が有効に働くので、出力電圧の立ち上がりの時定数は帰還によって制御され、固有多項式の特性代表根によって決まる。
出力電圧の立ち上がりにおけるオーバーシュート
When switched to the energized state, the output voltage increases. In general, in order to increase the output voltage, it is necessary for the resonant circuit to charge the capacitor of the rectifying and smoothing circuit and to supply a current to the load. The time constant for charging decreases with decreasing load and depends on the load. However, since feedback works effectively in the energized state, the time constant of the rise of the output voltage is controlled by feedback and is determined by the characteristic representative root of the eigen polynomial.
Overshoot at output voltage rise

この時の出力電圧の立ち上がりにおいて、出力電圧のオーバーシュートが引き起こされると、出力電圧が参照電圧より高くなり再び切断状態が引き起こされる。この結果、切断状態と通電状態を繰り返す断通振動が立ち上がる。 If an overshoot of the output voltage is caused at the rise of the output voltage at this time, the output voltage becomes higher than the reference voltage and a disconnection state is caused again. As a result, a disconnection vibration that repeats the disconnected state and the energized state starts.

断通振動が立ち上がらないためには、切断状態から通電状態への切り替わりに伴う出力電圧の上昇がオーバーシュートを引き起こさないことが必要であり、またオーバーシュートが引き起こされなければ帰還は出力電圧を上げる方向に働くので、帰還の安定性は微分方程式で記述された電源の安定性に帰着する。 In order for the switching vibration not to rise, it is necessary that the increase in output voltage caused by switching from the disconnected state to the energized state does not cause overshoot, and if overshoot does not occur, feedback increases the output voltage. Since it works in the direction, the stability of the feedback results in the stability of the power supply described by the differential equation.

特性代表根が実根でない場合、出力電圧の立ち上がりはオーバーシュートを伴うため、切断状態と通電状態を繰り返す断通振動が立ち上がる。特性代表根が実根の場合微分方程式は安定であり、従ってこの微分方程式系で記述された電源は安定となる。 When the characteristic representative root is not a real root, the rise of the output voltage is accompanied by an overshoot, so that a disconnection vibration that repeats the disconnected state and the energized state starts. When the characteristic representative root is a real root, the differential equation is stable. Therefore, the power source described by this differential equation system is stable.

たとえばノイズにより偶発的に出力電圧が参照電圧より高くなった場合は、出力電圧と参照電圧の電圧差が微少であるために微分方程式系で記述されるように出力電圧を下げる帰還が有効に働いて出力電圧が降下すると考えても、整流平滑回路は出力電圧を下げることが出来ないので整流平滑回路は切断状態になると考えても、切断状態と通電状態を繰り返す断通振動の立ち上がらない限り実質的な違いはない。
Bの値
For example, when the output voltage accidentally becomes higher than the reference voltage due to noise, the voltage difference between the output voltage and the reference voltage is very small, so feedback that lowers the output voltage effectively works as described in the differential equation system. Even if the output voltage drops, the rectifying / smoothing circuit cannot lower the output voltage. There is no difference.
B value

帰還が安定になるためには、EとBとは数式 240すなわち
かつ数式 243すなわち
を満たすことが必要である。たとえば
を満たすようにEを選ぶと、Bの選び方には自由度のあることが分かる。Bは
hbと数式 260すなわち
の関係にあるので、数式 244すなわち
から、Bはh2の位置を制約し、この結果Nを制約することになる。
For feedback to be stable, E and B are
And formula 243,
It is necessary to satisfy. For example
If you choose E to satisfy, you can see that there is a degree of freedom in choosing B. B is
h b and formula 260
Therefore, Formula 244, that is,
Therefore, B constrains the position of h 2 , and as a result, constrains N.

hbのEとBとに対する依存は、数式 293において定義されている関数F(h)によって記述される。すなわち
を満たすhが
であるならば任意のφ ( > 0 )に対して
となる。F(h)はE、B、Nに依存する。F(h)<0となるhの範囲はNによって制御できる。E、B、Nに対してF(h)を求めることによりh2を精密に評価することが可能となる。
整流平滑回路によるリップル
The dependence of h b on E and B is described by the function F (h) defined in Equation 293. Ie
Satisfy h
For any φ (> 0)
It becomes. F (h) depends on E, B, and N. The range of h where F (h) <0 can be controlled by N. By obtaining F (h) for E, B, and N, h 2 can be accurately evaluated.
Ripple by rectifying and smoothing circuit

実際の回路でBとNとを制約しているのは、電源の出力電圧に重畳しているリップルである。微分方程式系で記述される電源では、仮想的整流平滑回路の出力にリップルは重畳していない。しかし実際の整流平滑回路の出力には整流に伴う高周波の周期的なリップルが重畳している。微分方程式系
数式
166
〜数式 169において、周期的なリップルが出力電圧に対応するzに重畳している場合、zは平衡点 φeによって決まる出力電圧zeを中心に振動する。実際の電源では、出力電圧の立ち上がは微分方程式系 数式 166〜数式 169に従い変化するのが、たち下がりはこの微分方程式系とは独立に変化する。したがって出力電圧に重畳する周期的なリップルの出力電圧に対する影響は複雑となる。周期的なリップルは出力電圧にzeを中心する振動を引き起こす。
It is the ripple superimposed on the output voltage of the power supply that restricts B and N in the actual circuit. In the power source described by the differential equation system, ripples are not superimposed on the output of the virtual rectifying / smoothing circuit. However, a high-frequency periodic ripple accompanying rectification is superimposed on the output of the actual rectifying / smoothing circuit. Differential equation system
166
In Expression 169, when the periodic ripple is superimposed on z corresponding to the output voltage, z oscillates around the output voltage z e determined by the equilibrium point φ e . In an actual power supply, the rise of the output voltage changes according to the differential equation system 166 to 169, but the rise and fall changes independently of this differential equation system. Therefore, the influence of the periodic ripple superimposed on the output voltage on the output voltage is complicated. Periodic ripple causes vibration around the z e the output voltage.

周期的なリップルによって、出力電圧は参照電圧によって設定された電圧の付近を振動するが、この振動の振幅はリップルの振幅と
ループゲインが大きくなるにつれておおきくなる。さらに誤差増幅器の出力に大きなリップルが重畳すると、これが駆動周波数を共振周波数を超えて低くするいわゆるフィードバックブレイクダウンを引き起こす可能性がある。リップルによるフィードバックブレイクダウンは電源に好ましくない。
Due to the periodic ripple, the output voltage oscillates in the vicinity of the voltage set by the reference voltage, and the amplitude of this oscillation increases as the amplitude of the ripple and the loop gain increase. Furthermore, when a large ripple is superimposed on the output of the error amplifier, this may cause a so-called feedback breakdown that lowers the drive frequency beyond the resonance frequency. Feedback breakdown due to ripple is undesirable for the power supply.

Eが与えられているとき出力電圧の立ち上がりの時定数は1/Eで近似できる。帰還が有効となる周波数帯域の外側にあるリップルをフィルターで減少させることにより、大きな直流的ループゲインを実現することが可能となる。出力電圧に重畳する周期的なリップルの減少に有効な回路が特許文献2に提案されている。
回路定数の選定
When E is given, the rise time constant of the output voltage can be approximated by 1 / E. A large DC loop gain can be realized by reducing the ripple outside the frequency band in which the feedback is effective with a filter. Patent Document 2 proposes a circuit effective for reducing the periodic ripple superimposed on the output voltage.
Selection of circuit constants

原点に極を導入して安定化を達成することができれば、負荷あるいは入力電圧の変化に対する出力電圧の安定性は向上する。誤差増幅器の伝達関数を
と仮定し、帰還が安定となる実用的な十分条件を求めた。共振回路を記述するパラメータには、共振周波数、共振周波数におけるゲイン、共振の半値幅がある。共振回路が整流平滑回路を充電する過程を記述するために、整流平滑回を一次遅れで近似することにより時定数μを、また出力インピーダンスと負荷と整流回路における電圧の倍圧に依存して決まる乗数νを導入した。
If stabilization can be achieved by introducing a pole at the origin, the stability of the output voltage against changes in the load or input voltage is improved. The transfer function of the error amplifier
As a result, a sufficient practical condition was obtained to stabilize the feedback. Parameters describing the resonance circuit include a resonance frequency, a gain at the resonance frequency, and a half width of resonance. To describe the process by which the resonant circuit charges the rectifying and smoothing circuit, the time constant μ is determined by approximating the rectifying and smoothing circuit with a first order delay, and also depending on the output impedance, the load, and the voltage doubler in the rectifying circuit. A multiplier ν was introduced.

共振回路を固定すると、その共振回路が負荷に対して実現する昇圧比からδの大まかな値が決まる。また共振回路の出力インピーダンスから、整流平滑回路のキャパシタンスを充電する時定数μを見積もることが可能となる。キャパシタンスを充電する時定数μは負荷によって大幅に変化する。時定数μの最大値をμmaxとするとき
となるようにEを選ぶ。
When the resonance circuit is fixed, a rough value of δ is determined from the boost ratio realized by the resonance circuit with respect to the load. In addition, the time constant μ for charging the capacitance of the rectifying and smoothing circuit can be estimated from the output impedance of the resonance circuit. The time constant μ for charging the capacitance varies greatly depending on the load. When the maximum value of the time constant μ is μ max
Choose E so that

実際の整流平滑回路の出力には整流に伴う高周波のリップルが重畳している。Nはリップルを増幅するのでNの大きさは制限される。リップルの微分係数である観点からBは小さい選ぶことが望ましく、B = 0も選択肢の一つである。安定性からは、Bを小さく選ぶことはNの大きさを制限することになる。実際の回路ではNはリップルの増幅によって制限されており、
がBの実用的な選択となる。つまり1/δの数分の一から数倍までが選択の範囲となる。
A high-frequency ripple accompanying rectification is superimposed on the output of the actual rectifying / smoothing circuit. Since N amplifies ripple, the size of N is limited. From the viewpoint of the differential coefficient of ripple, it is desirable to select B small, and B = 0 is one of the options. From the viewpoint of stability, choosing a smaller B will limit the size of N. In an actual circuit, N is limited by ripple amplification,
Is a practical choice for B. That is, the selection range is from a fraction of 1 / δ to several times.

このとき出力電圧の立ち上がる時定数は近似的に-1/Eであり、帰還が有効な周波数の帯域の外側にあるリップルをフィルターすることにより直流的ループゲインを大きくすることができる。
右半平面のゼロ点
At this time, the rise time constant of the output voltage is approximately -1 / E, and the DC loop gain can be increased by filtering the ripple outside the frequency band where the feedback is effective.
Right half plane zero

図 16で示すように共振周波数より高い周波数で圧電トランスを駆動する場合、出力電圧を上げるためにはより共振周波数に近い周波数で駆動することが必要となり、駆動周波数を下げることになる。その結果圧電トランスの出力である高周波交流の周波数が下がることになり、この高周波交流を整流して得られる出力の直流電圧も一時的に下がる可能性がある。駆動周波数の変化が引き起こす出力電圧の変化は負荷が重い場合に大きくなる。 As shown in FIG. 16, when the piezoelectric transformer is driven at a frequency higher than the resonance frequency, it is necessary to drive at a frequency closer to the resonance frequency in order to increase the output voltage, and the drive frequency is lowered. As a result, the frequency of the high-frequency alternating current, which is the output of the piezoelectric transformer, decreases, and the output direct-current voltage obtained by rectifying the high-frequency alternating current may also temporarily decrease. The change in the output voltage caused by the change in the driving frequency becomes large when the load is heavy.

圧電トランスの駆動周波数が変化すると、出力である高周波交流の振幅の変化は圧電トランスに定常波が立ち上がるとともに変化するので、高周波交流の周波数がまず変化し、それから遅れて高周波交流の振幅が変化する。駆動周波数が共振周波数より高い場合、高周波交流を整流して得られる直流電圧は駆動周波数を下げると周波数が下がることにより直流電圧はまづ一時的に降下して、その後振幅の増大とともに上昇する可能性がある。直流電圧が降下する程度は圧電トランスの出力に結合している負荷に依存する。 When the drive frequency of the piezoelectric transformer changes, the change in the amplitude of the high-frequency alternating current that is output changes as the standing wave rises in the piezoelectric transformer, so the frequency of the high-frequency alternating current first changes, and then the amplitude of the high-frequency alternating current changes. When the drive frequency is higher than the resonance frequency, the DC voltage obtained by rectifying the high-frequency alternating current may drop temporarily when the drive frequency is lowered, and then rise with an increase in amplitude. There is sex. The degree to which the DC voltage drops depends on the load coupled to the output of the piezoelectric transformer.

つまり出力電圧を圧電トランスの駆動周波数に帰還して出力である直流電圧を安定化する電源では、駆動周波数の範囲が共振周波数より高く選ばれているとき、出力電圧を上げようとすると、出力電圧はまず下がってから上がる可能性がある。これは右半平面にゼロ点を持つ制御系の特徴の一つである。
右半平面のゼロ点を確かめる方法
In other words, in a power supply that feeds back the output voltage to the drive frequency of the piezoelectric transformer and stabilizes the output DC voltage, if the drive frequency range is selected to be higher than the resonance frequency, the output voltage May go down and then up. This is one of the features of the control system that has a zero point on the right half plane.
How to check the zero point of the right half plane

右半平面のゼロ点を確かめるために、駆動周波数を変化させたとき出力である直流電圧の変化を直接詳しく見るのではなく、出力電圧を圧電トランスの駆動周波数に帰還することにより直流電圧を安定化する理想的な電源を考え、駆動周波数が共振周波数より高い場合と低い場合についてシミュレーションにより安定性を比較する。右半平面にゼロ点のある制御系を安定に帰還するためには、パラメータを注意深く選ぶことが必要となる。負荷が重い場合ループゲインを大きくすると右半平面のゼロ点の存在は自ずと明らかになる。シミュレーションの結果では、駆動周波数が共振周波数より低い場合と低い場合では明らかに安定性に差があり、駆動周波数が共振周波数より低い場合がより安定である。実際の圧電トランスを使った電源では、共振回路を駆動するドライバー回路の実装が右半平面のゼロ点に関係するが、駆動周波数が共振周波数より低い場合のほうが安定な帰還を実現するパラメータの範囲が広い。
共振回路
To confirm the zero point of the right half plane, the direct current voltage is stabilized by feeding back the output voltage to the drive frequency of the piezoelectric transformer instead of directly looking at the change of the direct current voltage that is output when the drive frequency is changed. The stability is compared by simulation for the case where the drive frequency is higher and lower than the resonance frequency. In order to stably return a control system having a zero point on the right half plane, it is necessary to carefully select parameters. When the load is heavy and the loop gain is increased, the existence of the zero point on the right half plane becomes obvious. As a result of simulation, there is a clear difference in stability between the case where the drive frequency is lower than the resonance frequency and the case where the drive frequency is lower, and the case where the drive frequency is lower than the resonance frequency is more stable. In an actual power supply using a piezoelectric transformer, the implementation of the driver circuit that drives the resonance circuit is related to the zero point of the right half plane, but the range of parameters that realizes stable feedback when the drive frequency is lower than the resonance frequency Is wide.
Resonant circuit

共振回路が圧電トランスの場合には駆動周波数が共振周波数より低い場合のほうが高い場合に較べて安定であるが、右半平面にゼロ点の生成される事情は圧電トランスと一般の共振回路で共通であるので、一般の共振回路の場合にも駆動周波数が共振周波数より低い場合が高い場合より安定になる。 When the resonant circuit is a piezoelectric transformer, it is more stable when the drive frequency is lower than the resonant frequency, but the situation where the zero point is generated on the right half plane is common to the piezoelectric transformer and the general resonant circuit. Therefore, even in the case of a general resonance circuit, the case where the drive frequency is lower than the resonance frequency is more stable than the case where it is high.

本発明は、共振回路から出力される高周波交流を整流して得られる直流電圧を安定化する帰還回路とその回路定数を与える。この結果、たとえば圧電トランスを共振回路として使用した高圧電源が、入力電圧の変動に対して、また負荷電流の変化に対して出力電圧を高い精度で安定化するこを可能とし、さらに広い範囲の負荷に対して可変な出力電圧の供給を可能にする。
出力電圧を高い電圧精度で安定化するためには、出力電圧を安定化する帰還回路に原点に位置する極を帰還回路に導入することが必要である。
本発明では、誤差増幅器の伝達関数を
と仮定し、帰還が安定となる実用的な十分条件を求めた。
電源を記述する微分方程式系の平衡点の近傍において、この微分方程式系を線形に近似した線型微分方程式系の固有多項式m(h)を考える。固有多項式m(h)が原点の近傍に位置する実根とこれに共役な実根を持つとき、その他の根の実部が負となるようにEとBとを決めることにより安定な帰還を実現する。電源に十分な直流的ループゲインが実装されかつEが大きくない場合には、固有多項式は-Eの近傍に実根を持つ。-Eの近傍の実根と共役な実根は-1/Bと粗く評価することが可能であり、1/δは目安となるBの値である。
たとえば出力電圧が正の場合、整流平滑回路は出力電圧を上昇させることはできるが、出力電圧を下げることはできない。帰還が有効に働くのは出力電圧がグランドから離れる方向の場合だけであり、これからm(h)の特性代表根は実根であることが必要となる。特性代表根が実根となるようにEとBを選ぶことは常に可能であり、このとき出力電圧の立ち上がりの時定数は1/Eと近似することができる。
電源の電圧発生回路があらかじめ与えられているとき、電圧発生回路のパラメータから原点に位置する極と2個のゼロ点を持つ十分条件を満たす伝達関数が求まり、この伝達関数を実現した誤差増幅器を含む帰還が安定となる。またこのようにして実現された電源の特性をあらかじめ予測することができる。
The present invention provides a feedback circuit that stabilizes a DC voltage obtained by rectifying high-frequency alternating current output from a resonant circuit, and a circuit constant thereof. As a result, for example, a high-voltage power supply using a piezoelectric transformer as a resonance circuit can stabilize the output voltage with high accuracy against fluctuations in the input voltage and changes in the load current. Enables supply of variable output voltage to the load.
In order to stabilize the output voltage with high voltage accuracy, it is necessary to introduce a pole located at the origin to the feedback circuit that stabilizes the output voltage.
In the present invention, the transfer function of the error amplifier is
As a result, a sufficient practical condition was obtained to stabilize the feedback.
Consider an eigen polynomial m (h) of a linear differential equation system that approximates the differential equation system linearly in the vicinity of the equilibrium point of the differential equation system that describes the power source. When the eigenpolynomial m (h) has a real root located near the origin and a real root conjugated to it, stable feedback is realized by determining E and B so that the real part of the other root is negative. . If a sufficient DC loop gain is implemented in the power supply and E is not large, the eigenpolynomial has a real root near -E. A real root conjugate with a real root in the vicinity of -E can be roughly evaluated as -1 / B, and 1 / δ is a reference B value.
For example, when the output voltage is positive, the rectifying and smoothing circuit can increase the output voltage, but cannot decrease the output voltage. The feedback works effectively only when the output voltage is in the direction away from the ground, and the characteristic representative root of m (h) needs to be a real root. It is always possible to select E and B so that the characteristic root is the real root, and at this time, the time constant of the rise of the output voltage can be approximated to 1 / E.
When the voltage generation circuit of the power supply is given in advance, a transfer function satisfying a sufficient condition having a pole located at the origin and two zero points is obtained from the parameters of the voltage generation circuit, and an error amplifier that realizes this transfer function is obtained. Including feedback becomes stable. In addition, the characteristics of the power supply thus realized can be predicted in advance.

本発明の実施例として、共振回路として圧電トランスを使用した高圧発生回路とその帰還回路からなる直流安定化高圧電源について、高圧発生回路のパラメータから本発明の方法に従い位相補償回路の伝達関数を決定し、帰還が安定であることを示す。 As an embodiment of the present invention, the transfer function of the phase compensation circuit is determined from the parameters of the high voltage generation circuit according to the method of the present invention for the DC stabilized high voltage power supply comprising the high voltage generation circuit using the piezoelectric transformer as the resonance circuit and its feedback circuit. And show that the feedback is stable.

直流安定化高圧電源
圧電トランスを共振回路として使用した直流安定化高圧電源は高圧発生回路と帰還回路から構成される。高圧発生回路はドライバー回路、共振回路として使用される圧電トランス、整流平滑回路から構成される。帰還回路は誤差増幅器および周波数変調回路から構成される。ドライバー回路は外部の電源よりドライバー回路に供給される直流電圧を、周波数変調回路の出力する矩形波と同一の周波数を持つ高周波交流に変換し、この高周波交流により圧電トランスを駆動する。
圧電トランスはこの高周波交流を高電圧の高周波交流に昇圧する。整流平滑回路は、圧電トランスの出力を直流の高電圧に変換し、これを高圧電源の出力として負荷に供給するとともに、帰還回路に入力する。誤差増幅器は帰還回路に入力された出力電圧と参照電圧を比較することによりズレを検出し、このズレを周波数変調回路に入力する。周波数変調回路は入力に比例した周波数を持つ矩形波をドライバー回路に出力する。このようにして出力電圧は圧電トランスを駆動する高周波交流の周波数にフィードバックされ、安定化される。
A direct current stabilized high voltage power source using a piezoelectric transformer as a resonance circuit is composed of a high voltage generation circuit and a feedback circuit. The high voltage generation circuit is composed of a driver circuit, a piezoelectric transformer used as a resonance circuit, and a rectifying / smoothing circuit. The feedback circuit includes an error amplifier and a frequency modulation circuit. The driver circuit converts a DC voltage supplied from an external power source to the driver circuit into a high-frequency alternating current having the same frequency as the rectangular wave output from the frequency modulation circuit, and drives the piezoelectric transformer by the high-frequency alternating current.
The piezoelectric transformer boosts this high frequency alternating current to a high voltage high frequency alternating current. The rectifying / smoothing circuit converts the output of the piezoelectric transformer into a DC high voltage, supplies this to the load as the output of the high-voltage power supply, and inputs it to the feedback circuit. The error amplifier detects the deviation by comparing the output voltage input to the feedback circuit with the reference voltage, and inputs this deviation to the frequency modulation circuit. The frequency modulation circuit outputs a rectangular wave having a frequency proportional to the input to the driver circuit. In this way, the output voltage is fed back to the frequency of the high-frequency alternating current that drives the piezoelectric transformer and stabilized.

図 1に示すように圧電トランスを駆動する高周波交流の周波数は、圧電トランスの共振周波数より高くなるように選ばれている。したがって、出力電圧が参照電圧より高い場合には、周波数を上げて共振周波数から遠ざかり、また逆の場合には周波数を下げて共振周波数に近づく。 As shown in FIG. 1, the frequency of the high-frequency alternating current that drives the piezoelectric transformer is selected to be higher than the resonance frequency of the piezoelectric transformer. Therefore, when the output voltage is higher than the reference voltage, the frequency is increased to move away from the resonance frequency, and in the opposite case, the frequency is decreased to approach the resonance frequency.

この直流安定化高圧電源は20 MΩか200 MΩの負荷に対して2 kVから4 kVの直流電圧を供給することができる。この直流安定化高圧電源について、図 18を参照しながら説明する。次に、この高圧電源のシミュレーションを行うシミュレーション用回路を構成する。さらに、このシミュレーションをもとにしたパラメータの測定から、高圧電源の安定な動作を実現する回路定数を求める。最後に、この回路定数の電源が広い範囲の負荷と出力電圧に対して安定に動作することシミュレーションによって示す。
圧電トランス
This DC stabilized high-voltage power supply can supply 2 kV to 4 kV DC voltage to a 20 MΩ or 200 MΩ load. This DC stabilized high-voltage power supply will be described with reference to FIG. Next, a simulation circuit for simulating this high voltage power supply is constructed. Furthermore, circuit constants that realize stable operation of the high-voltage power supply are obtained from parameter measurements based on this simulation. Finally, simulations show that this circuit constant power supply operates stably over a wide range of loads and output voltages.
Piezoelectric transformer

圧電トランスはあらかじめ分極された圧電素子が持つ圧電効果を利用したものである。圧電素子に外力を加えて変形させれば電圧が発生し、逆に電圧を加えれば応力が発生し変形する。圧電トランスではこの効果を利用して、1次側で電気振動をいったん機械振動に変換して二次側に伝送し、二次側でこれを再び電気振動に戻すことにより、電気エネルギーを伝送する。このように、圧電トランスでは、電気的エネルギーが一次側で機械的振動に変換され、これが二次側で再び電気的エネルギーに再変換される。二次側はキャパシタンスであり、ここに機械的振動を通して電荷が注入されることにより電圧が発生する。 Piezoelectric transformers utilize the piezoelectric effect of previously polarized piezoelectric elements. When an external force is applied to the piezoelectric element and deformed, a voltage is generated. Conversely, when a voltage is applied, a stress is generated and deformed. A piezoelectric transformer uses this effect to transmit electrical energy by converting electrical vibrations into mechanical vibrations on the primary side and transmitting them to the secondary side, and returning them to electrical vibrations on the secondary side. . Thus, in the piezoelectric transformer, the electrical energy is converted into mechanical vibration on the primary side, and this is converted back to electrical energy again on the secondary side. The secondary side is a capacitance, and a voltage is generated when charges are injected through mechanical vibration.

機械的振動は負荷によるエネルギーの散逸のため次第に減衰する。減衰の時定数は負荷 Rとともに大きくなる。出力が高電圧の場合、Rの値は一般に大きい。この意味で、機械的振動でエネルギーを蓄える圧電トランスは直流高圧電源に適している。 Mechanical vibrations are gradually attenuated due to energy dissipation by the load. The decay time constant increases with load R. When the output is high voltage, the value of R is generally large. In this sense, a piezoelectric transformer that stores energy by mechanical vibration is suitable for a DC high-voltage power supply.

圧電トランスは内部に共振回路を含む。このため圧電トランスは、通常の電磁トランスと異なり、鋭い周波数特性や大きな負荷依存性を示す。この圧電トランスが高圧発生回路に使用されている。圧電トランスの出力に負荷抵抗を接続し、入力電圧と出力電圧の比である昇圧比を考える。図 19には、それぞれの負荷抵抗に対して昇圧比を周波数の関数として実歳に測定したグラフが示されている。このグラフから圧電トランスは共振周波数の付近で大きな昇圧比を示すことが分かる。
整流平滑回路
The piezoelectric transformer includes a resonance circuit inside. For this reason, unlike a normal electromagnetic transformer, the piezoelectric transformer exhibits sharp frequency characteristics and large load dependence. This piezoelectric transformer is used in a high voltage generation circuit. A load resistance is connected to the output of the piezoelectric transformer, and a step-up ratio that is a ratio between the input voltage and the output voltage is considered. FIG. 19 shows a graph in which the step-up ratio is actually measured as a function of frequency for each load resistance. From this graph, it can be seen that the piezoelectric transformer exhibits a large step-up ratio near the resonance frequency.
Rectifier smoothing circuit

整流平滑回路は、図 18に示すようにキャパシタとダイオードをカスケードに接続した3段コックロフト・ウォルトン回路からなる昇圧整流回路とリップルの低減を目的とする出力キャパシタンスから構成される。出力される高電圧はコックロフト・ウォルトン回路により生成される。コックロフト・ウォルトン回路の出力に接続されている負荷の値がきわめて大きいとき、n段の理想的なコックロフト・ウォルトン回路は振幅Eの交流が入力に加えられているとき、電圧2nEの直流を出力する。この昇圧整流における電圧昇圧比は負荷に依存するが、コックロフト・ウォルトン回路の出力に接続されている負荷をコックロフト・ウォルトン回路の入力から見ると、負荷の大きさはこの電圧昇圧比の2乗に反比例することを意味する。つまりコックロフト・ウォルトン回路は昇圧整流回路とともに抵抗変換器としても働く。 As shown in FIG. 18, the rectifying / smoothing circuit includes a step-up rectifying circuit including a three-stage Cockloft-Walton circuit in which capacitors and diodes are connected in cascade, and an output capacitance for the purpose of reducing ripples. The output high voltage is generated by a Cockloft-Walton circuit. When the value of the load connected to the output of the Cockroft-Walton circuit is very large, an ideal n-stage Cockloft-Walton circuit will produce a DC of 2nE voltage when an alternating current of amplitude E is applied to the input. Output. Although the voltage boost ratio in this boost rectification depends on the load, when the load connected to the output of the Cockloft-Walton circuit is viewed from the input of the Cockloft-Walton circuit, the magnitude of the load is 2 of this voltage boost ratio. Means inversely proportional to the power. That is, the Cockloft-Walton circuit works as a resistance converter together with the boost rectifier circuit.

コックロフト・ウォルトン回路の出力は出力キャパシタによってバッファされる。このバッファリングにより、出力電圧に含まれるリップルが減少する。出力電圧が正である場合、コックロフト・ワルトン回路は電荷をキャパシタンスに汲み上げ高電圧を発生することはできるが、キャパシタンスから電荷をくみ出し高電圧を下げることはできない。搬送波の1周期で圧電トランスに蓄えられていた電荷が汲み上げられる。電荷を蓄える圧電トランスのキャパシタンスを、圧電トランスの出力側で考えると
と見積もることができるので、コックロフト・ウォルトン回路のキャパシタンスとバッファのキャパシタンスをあわせて100nFと見積もると、平衡に達するまでには約6000周期が必要となる。平衡に達するまでに必要な周期は圧電トランスと整流平滑回路のキャパシタンスの比で決まると考えられるので、第一近似では負荷や出力の高電圧に依らない。
The output of the Cockloft-Walton circuit is buffered by the output capacitor. This buffering reduces the ripple contained in the output voltage. If the output voltage is positive, the Cockroft-Walton circuit can pump charge into the capacitance and generate a high voltage, but cannot draw charge from the capacitance and lower the high voltage. The electric charge stored in the piezoelectric transformer is pumped up in one cycle of the carrier wave. Considering the capacitance of a piezoelectric transformer that stores electric charge on the output side of the piezoelectric transformer
Therefore, if the combined capacitance of the Cockloft-Walton circuit and the capacitance of the buffer is estimated to be 100 nF, approximately 6000 cycles are required to reach equilibrium. Since the period required to reach equilibrium is considered to be determined by the ratio of the capacitance of the piezoelectric transformer and the rectifying / smoothing circuit, the first approximation does not depend on the high voltage of the load or output.

搬送波の周波数が120 kHz付近にあることを考えると、平衡に達するまでに少なくとも50 msecは必要であることがわかる。つまり出力である高電圧の立ち上がる時定数は50 msecより短くなることはない。出力の高電圧が実際に立ち上がるためには、この数倍の数百ミリセコンドを必要とする。平衡に達するまでの時間は、近似的に整流平滑回路の時定数μに等しいと考えられるので
と見積もることができる.
Considering that the carrier frequency is around 120 kHz, it can be seen that at least 50 msec is required to reach equilibrium. In other words, the rise time constant of the high voltage that is the output does not become shorter than 50 msec. In order for the output high voltage to actually rise, several hundreds of milliseconds are required. The time to reach equilibrium is considered to be approximately equal to the time constant μ of the rectifying / smoothing circuit.
Can be estimated.

出力電圧が正の場合、出力電圧の変化を考えると電圧が上昇するためには、圧電トランスが負荷に電流を供給すると同時にコックロフト・ワルトン回路のキャパシタと出力キャパシタを充電することが必要である。またこれらのキャパシタを負荷の抵抗を通して放電することにより出力高電圧は下降する。電圧が上昇する場合の時定数は負荷が軽くなるに伴い小さくなる。出力の高電圧が下降する場合の時定数は、キャパシタと負荷の抵抗によって決まる。
ドライバー回路
When the output voltage is positive, considering the change in the output voltage, in order for the voltage to rise, it is necessary to charge the capacitor of the Cockloft-Walton circuit and the output capacitor at the same time that the piezoelectric transformer supplies current to the load. . The output high voltage is lowered by discharging these capacitors through the resistance of the load. The time constant when the voltage rises becomes smaller as the load becomes lighter. The time constant when the output high voltage drops is determined by the resistance of the capacitor and the load.
Driver circuit

圧電トランスを入力端子から見るとキャパシタンスが見える。キャパシタンスを効率的に駆動するためには正弦波を使用することが不可欠であり、インダクタンスと共振させることにより、ドライバー回路は近似的な正弦波を作り出している。 The capacitance can be seen when the piezoelectric transformer is viewed from the input terminal. The use of a sine wave is essential to drive the capacitance efficiently, and by resonating with the inductance, the driver circuit produces an approximate sine wave.

ドライバー回路は、2個のインダクタンスL1、L2と2個のMOSFET Q1、Q2とからなる2組の共振回路とFET駆動回路とからなる。周波数変調回路の出力はFET駆動回路に入力される。FET駆動回路は二組のFETを周波数変調回路の出力であるパルス波に同期して交互にオン・オフする。インダクタンスの値は、このインダクタンスと圧電トランスのキャパシタンスとによって決まる共振周波数が圧電トランスの共振周波数とほぼ等しくなるように決められている。この結果、FETのオン・オフの遷移は、FETに印加されている電圧がほぼ 0 V のときに行なわれる、いわゆるゼロボルトスイッチングが実現される。
誤差増幅器
The driver circuit is composed of two sets of resonance circuits composed of two inductances L1 and L2 and two MOSFETs Q1 and Q2, and an FET drive circuit. The output of the frequency modulation circuit is input to the FET drive circuit. The FET drive circuit alternately turns on and off two sets of FETs in synchronization with the pulse wave that is the output of the frequency modulation circuit. The inductance value is determined so that the resonance frequency determined by this inductance and the capacitance of the piezoelectric transformer is substantially equal to the resonance frequency of the piezoelectric transformer. As a result, the so-called zero volt switching, which is performed when the FET is turned on and off when the voltage applied to the FET is approximately 0 V, is realized.
Error amplifier

誤差増幅器は分割抵抗と引き算回路と位相補償回路とから構成される。引き算回路は、分割抵抗により分割され端子Xに入力される出力電圧と、出力電圧を設定するために外部より端子Yに供給される参照電圧を比較し、この電圧の差に端子Zに入力された基準動作電圧を加えて出力する。
分割抵抗の分割比は数式 131で定義されている。従ってこの分割抵抗の分割比をd0とすると、次のようになる。
The error amplifier includes a dividing resistor, a subtraction circuit, and a phase compensation circuit. The subtraction circuit compares the output voltage divided by the dividing resistor and input to the terminal X with the reference voltage supplied from the outside to the terminal Y to set the output voltage, and the difference between the voltages is input to the terminal Z. The reference operating voltage is added and output.
The division ratio of the dividing resistor is defined by Equation 131. Accordingly, when the division ratio of this dividing resistor is d 0 , the following is obtained.

位相補償回路は基準動作電圧を接地電位とした反転増幅器であり、この伝達関数は原点に配置された極と2個のゼロ点を備えている。位相補償回路の入力はこの伝達関数により変換されて出力される。この出力はダイオード D1により基準動作電圧から限られた範囲の電圧にクランプされている。
周波数変調回路
The phase compensation circuit is an inverting amplifier whose reference operating voltage is the ground potential, and this transfer function has a pole arranged at the origin and two zero points. The input of the phase compensation circuit is converted by this transfer function and output. This output is clamped to a limited range of voltages from the reference operating voltage by diode D1.
Frequency modulation circuit

周波数変調回路は電圧制御発振器と分周器から構成される。タイマーとして用いられるTLC555が電圧制御発振器として使用されている。端子Aに入力される電圧によって決まる周波数をもつ矩形波が端子Bより出力される。この矩形波はフリップフロップ74HC73からなる分周器の端子CLKに入力され、1/2 に分周されたデューティ比50%の矩形波がQおよびバーQの端子より出力される。分周器より出力される85 kHzから139 kHzまでの矩形波が周波数変調回路の出力であり、これが駆動回路に入力される。 The frequency modulation circuit includes a voltage controlled oscillator and a frequency divider. A TLC555 used as a timer is used as a voltage controlled oscillator. A rectangular wave having a frequency determined by the voltage input to terminal A is output from terminal B. This rectangular wave is input to a terminal CLK of a frequency divider composed of a flip-flop 74HC73, and a rectangular wave with a duty ratio of 50% divided by 1/2 is output from the Q and bar Q terminals. A rectangular wave from 85 kHz to 139 kHz output from the frequency divider is the output of the frequency modulation circuit, and this is input to the drive circuit.

端子Aに入力される電圧が1V変化すると、QおよびバーQの端子より出力される周波数は約40 kHz変化する。数式 65で定義されるkを計算し、これをk0とすると、

補助電源
When the voltage input to terminal A changes by 1V, the frequency output from the Q and bar Q terminals changes by about 40 kHz. When k defined by Equation 65 is calculated and this is k 0 ,

Auxiliary power

補助電源は、誤差検出回路に基準動作電圧を供給するための安定化電源である。
シミュレーション用回路
The auxiliary power supply is a stabilized power supply for supplying a reference operating voltage to the error detection circuit.
Circuit for simulation

この直流安定化高圧電源のシミュレーション用回路を図 20に示す。直流安定化高圧電源をシミュレーションすることによりパラメータの測定を行い、これをもとに安定な帰還を実現するN, EおよびBを求め、さらに帰還が安定であることをシミュレーションにより示す。
シミュレーション用回路における高電圧発生回路は、圧電トランスがその等価回路に置き換えられていることを除けば、直流安定化高圧電源の回路が忠実に再現されている。シミュレーション用回路における帰還回路は基本的には線形な回路である。このため帰還回路の入力と出力の関係を再現する簡単な回路がシミュレーション用回路に採用されている。
圧電トランスの等価回路
Figure 20 shows a simulation circuit for this DC stabilized high-voltage power supply. The parameters are measured by simulating a DC stabilized high-voltage power supply, and N, E, and B that realize stable feedback are obtained based on this, and the simulation shows that the feedback is stable.
The high voltage generation circuit in the simulation circuit is a faithful reproduction of the DC stabilized high voltage power supply circuit except that the piezoelectric transformer is replaced by an equivalent circuit. The feedback circuit in the simulation circuit is basically a linear circuit. For this reason, a simple circuit that reproduces the relationship between the input and output of the feedback circuit is employed in the simulation circuit.
Equivalent circuit of piezoelectric transformer

この高圧電源で使用されている圧電トランスの等価回路とそのパラメータを図 21に示す。 圧電トランスの等価回路には理想トランスが含まれている。図 22のような、1次側コイルと2次側コイルの巻き線比がnである理想トランスを考える。1次側電圧E1と1次側電流I1、2次側電圧E2と1次側電流
は次の関係式を満たす。この理想トランスのシミュレーションには、電圧制御電圧源と電流制御電流源とを使用して理想トランスを実現した図 23に示す回路を使用する。

周波数変調回路のモデル
Fig. 21 shows the equivalent circuit of the piezoelectric transformer used in this high-voltage power supply and its parameters. An equivalent circuit of the piezoelectric transformer includes an ideal transformer. Consider an ideal transformer in which the winding ratio of the primary coil and the secondary coil is n as shown in FIG. Primary voltage E 1 and primary current I 1 Secondary voltage E 2 and primary current
Satisfies the following relational expression. For the simulation of the ideal transformer, a circuit shown in FIG. 23 is used which realizes an ideal transformer using a voltage-controlled voltage source and a current-controlled current source.

Frequency modulation circuit model

入力と出力の関係を数学的関係式を用いて指定できるビヘービアモデルと呼ばれる回路素子をシミュレーションに使用することができる。周波数変調回路のシミュレーション用回路は、2個のビヘービアモデルA, Bと振幅制限器を組み合わせて図 24に示すように構成される。振幅制限器には振幅の上限HIと下限LOおよび利得GAINを指定することができる。ビヘービアモデルAは、入力の積分を出力する。ビヘービアモデルBには数式 63に相当する式が設定されている。この結果、ビヘービアモデルAに入力される電圧(すなわち誤差増幅器の出力)に比例した周波数を持つサイン波がビヘービアモデルBから出力される。振幅制限器はこのサイン波を増幅して、その振幅をクリップする。こうして、入力電圧に比例する周波数を備えたデューティ50%の矩形波が出力される。
誤差増幅器の シミュレーション用回路
Circuit elements called behavior models that can specify the relationship between input and output using mathematical relational expressions can be used for simulation. The simulation circuit of the frequency modulation circuit is configured as shown in FIG. 24 by combining two behavior models A and B and an amplitude limiter. The amplitude limiter can specify an upper limit HI and a lower limit LO of the amplitude and a gain GAIN. Behavior model A outputs the integral of the input. In behavior model B, an equation corresponding to Equation 63 is set. As a result, a sine wave having a frequency proportional to the voltage input to the behavior model A (that is, the output of the error amplifier) is output from the behavior model B. The amplitude limiter amplifies this sine wave and clips its amplitude. In this way, a 50% duty rectangular wave having a frequency proportional to the input voltage is output.
Error amplifier simulation circuit

誤差増幅器のシミュレーション用回路を図 25に示す。誤差増幅器は引き算回路と位相補償回路から構成される。引き算回路は2入力1出力のビヘービアモデルと増幅器からなる。ビヘービアモデルは入力の差が出力となるように設定されている。ビヘービアモデルの出力は増幅器によって増幅され、位相補償回路に入力される。 Figure 25 shows the error amplifier simulation circuit. The error amplifier is composed of a subtraction circuit and a phase compensation circuit. The subtraction circuit consists of a 2-input 1-output behavior model and an amplifier. The behavior model is set so that the input difference becomes the output. The output of the behavior model is amplified by an amplifier and input to a phase compensation circuit.

位相補償回路は、積分器、ゲイン1の増幅器とこれに付属する積分回路、微分器とこれに付属する積分回路、さらに2入力の加算器2個とから構成される。
積分器はゲインEの増幅器とビヘービアモデルとから構成される。関数SDT(x)の設定されビヘービアモデルは入力の時間積分を出力する。このビヘービアモデルからの出力がゲインEの増幅器に入力され、この増幅器からの出力が積分器の出力となる。
The phase compensation circuit includes an integrator, a gain 1 amplifier, an integrating circuit attached thereto, a differentiator, an integrating circuit attached thereto, and two 2-input adders.
The integrator is composed of a gain E amplifier and a behavior model. The behavior model set with the function SDT (x) outputs the time integral of the input. The output from this behavior model is input to an amplifier having a gain E, and the output from this amplifier becomes the output of the integrator.

微分器はゲインBの増幅器とビヘービアモデルとから構成される。関数DDT(x)の設定されビヘービアモデルは入力の時間微分を出力する。このビヘービアモデルからの出力がゲインBの増幅器に入力され、この増幅器からの出力が微分器の出力となる。 The differentiator is composed of a gain B amplifier and a behavior model. The behavior model with the function DDT (x) is set to output the time derivative of the input. The output from this behavior model is input to an amplifier having a gain B, and the output from this amplifier becomes the output of the differentiator.

ゲイン1の増幅器および微分器に付属する積分回路は高周波のノイズを積分することにより抑えることを目的としている。積分器のゲインをE、微分器のゲインをBとするとき、位相補償回路の伝達関数は
によって与えられる。この図において S は参照電圧を生成する電圧源である。引き算回路の増幅器に設定されたゲインはCである。引き算回路の増幅器に設定されたゲインを変えることにより直流的ループゲインを制御することが可能となる。図 20のシミュレーション用回路では、E=10, B=0.0002, C=30に設定されている。
共振特性の近似
The integration circuit attached to the gain 1 amplifier and the differentiator is intended to suppress high frequency noise by integrating it. When the integrator gain is E and the differentiator gain is B, the transfer function of the phase compensation circuit is
Given by. In this figure, S is a voltage source that generates a reference voltage. The gain set for the amplifier of the subtraction circuit is C. The DC loop gain can be controlled by changing the gain set in the amplifier of the subtraction circuit. In the simulation circuit of FIG. 20, E = 10, B = 0.0002, and C = 30 are set.
Approximation of resonance characteristics

高圧電源の共振回路に入力される搬送波の振幅等の共振回路の特性を決める諸要素が固定されているので、これにより共振回路のパラメータrが決まる。共振回路のパラメータ δは電源に接続される負荷に依って決まる。この負荷が接続された共振回路の共振周波数における出力電圧は
で与えられる。負荷が軽いとδは小さくなり、共振周波数における出力電圧は高くなる。負荷がδに対応するとき、出力電圧はφの関数となる。φがφeのとき出力電圧は
で与えられる。φeは小さくなると出力電圧が高くなり、大きくなると低くなる。
Various factors that determine the characteristics of the resonance circuit, such as the amplitude of the carrier wave input to the resonance circuit of the high-voltage power supply, are fixed, and this determines the parameter r of the resonance circuit. The parameter δ of the resonant circuit is determined by the load connected to the power source. The output voltage at the resonance frequency of the resonance circuit to which this load is connected is
Given in. When the load is light, δ decreases and the output voltage at the resonance frequency increases. When the load corresponds to δ, the output voltage is a function of φ. When φ is φ e, the output voltage is
Given in. As φ e decreases, the output voltage increases, and as φ e increases, it decreases.

帰還が有効に働いている回路では、特性はおもに帰還によって決まる。直流安定化高圧電源
に帰還が有効に働いている場合、電源の特性は高圧発生回路あるいは整流平滑回路の特性に大幅に依存することはない。この意味では電源の特性は、たとえば高圧発生回路のrあるいは整流平滑回路のμあるいはνに敏感に依存しない。そこでおおまかにrを見積もる簡単な方法を考える。
おおまかなrの見積もり
In circuits where feedback works effectively, the characteristics are mainly determined by feedback. In the case where feedback works effectively for a DC stabilized high voltage power supply, the characteristics of the power supply do not greatly depend on the characteristics of the high voltage generation circuit or the rectifying / smoothing circuit. In this sense, the characteristics of the power supply do not depend sensitively on, for example, r of the high voltage generation circuit or μ or ν of the rectifying / smoothing circuit. So, consider a simple way to roughly estimate r.
Rough estimate of r

負荷の接続された整流平滑回路について、その入力電圧から出力電圧への伝達関数を
で近似した場合、μ, νは負荷あるいは出力電圧に依存する。負荷の変化は共振回路のδに反映され、また出力電圧の変化はφに反映される。この意味でμ, νはδ, φの関数と考えられる。しかしながらこれらの関数の具体的な表現を求めることは容易ではない。
For the rectifying and smoothing circuit connected to the load, the transfer function from the input voltage to the output voltage is
, Ν depends on the load or output voltage. The change in load is reflected in δ of the resonance circuit, and the change in output voltage is reflected in φ. In this sense, μ and ν are considered to be functions of δ and φ. However, it is not easy to obtain specific expressions for these functions.

そこで圧電トランスと整流平滑回路とから構成される高圧発生回路を考える。高圧発生回路の出力にあらかじめ与えられた負荷が接続されている場合、出力される高電圧は高圧発生回路に入力される搬送波の周波数に依存する。周波数に対して出力される高電圧をプロットすると、このグラフは共振特性を示す。またこの共振特性の第一近似は数式 113から
によって与えられることが分かる。 この近似により共振特性の
周波数に関する半値幅を求めることができる。この半値幅を角速度に書き直すことによりδを、また高電圧の最大値をvmaxとするとき
からrを求めることができる。なおこのように高圧発生回路の出力から直接rを求めた場合、ν=1なることは明かである。
おおまかなμの見積もり
Therefore, consider a high voltage generating circuit composed of a piezoelectric transformer and a rectifying / smoothing circuit. When a load given in advance is connected to the output of the high voltage generation circuit, the output high voltage depends on the frequency of the carrier wave input to the high voltage generation circuit. When plotting the high voltage output against frequency, this graph shows the resonance characteristics. The first approximation of this resonance characteristic is
It can be seen that is given by. By this approximation, the half-value width regarding the frequency of the resonance characteristic can be obtained. When rewriting this half-value width to angular velocity, δ is set, and the maximum value of high voltage is v max
R can be obtained from It is obvious that ν = 1 when r is obtained directly from the output of the high voltage generation circuit.
Approximate μ estimate

時定数μは、整流平滑回路を一次遅れで線形近似したときの時定数であり、数式 389においてその上限が与えられている。また整流平滑回路の遅れは、共振回路の遅れに比べて十分に大きいと考えられる。つまりδとμとの間には
が成り立つ。また固有多項式の-Eの近傍の根はμにほとんど依存しないので、回路定数の選定にμの精密な値を必要としない。
高圧発生回路のパラメータの測定
The time constant μ is a time constant when the rectifying and smoothing circuit is linearly approximated with a first-order lag, and its upper limit is given in Equation 389. The delay of the rectifying / smoothing circuit is considered to be sufficiently larger than the delay of the resonance circuit. In other words, between δ and μ
Holds. In addition, since the root in the vicinity of -E of the eigenpolynominal hardly depends on μ, an accurate value of μ is not required for selection of circuit constants.
Measurement of parameters of high voltage generation circuit

共振特性の測定回路を図 26に示す。この測定から得られる共振特性は、ドライバー回路、圧電トランス、整流平滑回路から構成された高圧発生回路の共振特性である。負荷抵抗を変えて1 kHzステップで測定された共振特性を以下に示す。それぞれの負荷の共振特性から数式 398に従い、rを計算する。このrは負荷に応じてきまる。以下の共振特性から計算したrが、荒い近似ではあるが、負荷に依らず狭い範囲の値をとるのは、共振特性の第一近似が数式 397によって表されるためであろう。
負荷20 MΩの共振特性
Figure 26 shows the measurement circuit for resonance characteristics. The resonance characteristic obtained from this measurement is the resonance characteristic of a high voltage generation circuit composed of a driver circuit, a piezoelectric transformer, and a rectifying / smoothing circuit. The resonance characteristics measured in 1 kHz steps with different load resistances are shown below. Calculate r from the resonance characteristics of each load according to Equation 398. This r depends on the load. The r calculated from the resonance characteristics below is a rough approximation, but takes a narrow range regardless of the load because the first approximation of the resonance characteristics is expressed by Equation 397.
Resonance characteristics with a load of 20 MΩ

共振周波数における出力電圧は7.5 kV, 半値幅は周波数で980 Hzとするとδは6158であり、これからr20は0.46×108と見積もることができる。
負荷30 MΩの共振特性
If the output voltage at the resonance frequency is 7.5 kV and the half width is 980 Hz in frequency, δ is 6158, and from this, r 20 can be estimated as 0.46 × 10 8 .
Resonance characteristics of load 30 MΩ

共振周波数における出力電圧は8.5 kV, 半値幅は周波数で930 Hzとするとδは5843であり、これからr30は0.49×108と見積もることができる。
負荷40MΩの共振特性
If the output voltage at the resonance frequency is 8.5 kV and the half width is 930 Hz in frequency, δ is 5843, and from this, r 30 can be estimated to be 0.49 × 10 8 .
Resonance characteristics of load 40MΩ

共振周波数における出力電圧は9.1 kV, 半値幅は周波数で910 Hzとするとδは5718であり、これからr40は0.52×108と見積もることができる。
負荷50MΩの共振特性
If the output voltage at the resonance frequency is 9.1 kV and the half width is 910 Hz in terms of frequency, δ is 5718. From this, r 40 can be estimated to be 0.52 × 10 8 .
Resonance characteristics of load 50MΩ

共振周波数における出力電圧は9.1 kV, 半値幅は周波数で910 Hzとするとδは5718であり、これからr40は0.52×108と見積もることができる。
直流的ループゲイン
If the output voltage at the resonance frequency is 9.1 kV and the half width is 910 Hz in terms of frequency, δ is 5718. From this, r 40 can be estimated to be 0.52 × 10 8 .
DC loop gain

誤差増幅器の引き算回路のゲインをCと書くと、Nは数式 154により
と書ける。ここでν=1であり、r, k, dをそれぞれ r0, k0, d0で置き換えると、
となる。このとき、直流的ループゲインの最大値は図 12からわかるように
で与えられる。C=1かつδ=6000のときのこの値は134となる。
Eについて
When the gain of the error amplifier subtraction circuit is written as C, N is expressed by Equation 154.
Can be written. Where ν = 1 and r, k, d are replaced by r 0 , k 0 , d 0 respectively,
It becomes. At this time, as shown in Fig. 12, the maximum value of the DC loop gain is
Given in. This value is 134 when C = 1 and δ = 6000.
About E

出力高電圧の立ち上がりの時定数について、数式 389の評価からEについて
を得る。そこでE =10とする。実用的な範囲のφ, δ, μに対してB ≧
0.0002が十分であることが分かる。そこで B = 0.0002とする。
安定な帰還のシミュレーション例
About the time constant of the rise of the output high voltage, E from the evaluation of Formula 389
Get. Therefore, E = 10. B ≥ for practical ranges of φ, δ, μ
It can be seen that 0.0002 is sufficient. Therefore, B = 0.0002.
Stable feedback simulation example

このようにして構成された帰還が安定であることを、シミュレーション用回路 20を用いて示す。負荷抵抗20MΩに電圧4 kVを出力する場合と、負荷抵抗 200MΩに電圧2 kVを出力する場合について、シミュレーションの結果を図 31と図 32とに示す。それぞれの図には誤差増幅器の出力、引き算回路の出力、参照電圧の時間的経過が、横軸を時間軸として、縦軸1を誤差増幅器の出力、縦軸2を引き算回路の出力、縦軸3参照電圧として示されている。 The use of the simulation circuit 20 shows that the feedback thus constructed is stable. Figures 31 and 32 show the simulation results for the case where a voltage of 4 kV is output to a load resistance of 20 MΩ and the case of a voltage of 2 kV being output to a load resistance of 200 MΩ. In each figure, the output of the error amplifier, the output of the subtraction circuit, and the time course of the reference voltage are plotted with the horizontal axis as the time axis, the vertical axis 1 as the error amplifier output, the vertical axis 2 as the subtraction circuit output, and the vertical axis. 3 is shown as a reference voltage.

共振周波数と駆動周波数の範囲Resonance frequency and drive frequency range 伝達関数h0(s)とその近似であるhT 0(s)の昇圧比の比較Comparison of step-up ratio between transfer function h 0 (s) and its approximation h T 0 (s) 伝達関数h0(s)とその近似であるhT 0(s)の位相の比較Comparison of phase of transfer function h 0 (s) and its approximation h T 0 (s) 昇圧比の周波数依存性Frequency dependence of step-up ratio 昇圧比のQ値依存性Q factor dependence of step-up ratio 共振周波数の負荷依存性Load dependence of resonance frequency 電源Power supply 共振回路と整流平滑回路Resonant circuit and rectifying / smoothing circuit 仮想共振回路と仮想整流平滑回路Virtual resonance circuit and virtual rectification smoothing circuit 等価電源Equivalent power supply スマート電源の一例Example of smart power supply 直流的ループゲインのφ依存性Φ dependency of DC loop gain スマート電源の模式図Schematic diagram of smart power supply グラフy=f1(h)とy=f2(h)との交点と原点の近傍の実根The real root near the origin and the intersection of the graph y = f 1 (h) and y = f 2 (h) グラフy=f1(h)とy=f2(h)との交点Intersection of graph y = f 1 (h) and y = f 2 (h) 圧電トランスの共振特性と駆動周波数の範囲Piezoelectric transformer resonance characteristics and drive frequency range 圧電トランスを使った直流安定化高圧電源のブロック図Block diagram of DC stabilized high voltage power supply using piezoelectric transformer 圧電トランスを使った直流安定化高圧電源DC stabilized high voltage power supply using piezoelectric transformer 測定による昇圧比の周波数依存性Frequency dependence of step-up ratio by measurement シミュレーション用回路Circuit for simulation 圧電トランスの等価回路Equivalent circuit of piezoelectric transformer 理想トランスIdeal transformer 理想トランスの シミュレーション用回路Ideal transformer simulation circuit 周波数変調回路のシミュレーション用回路Frequency modulation circuit simulation circuit 誤差増幅器の シミュレーション用回路Error amplifier simulation circuit 共振特性の測定回路Resonance characteristic measurement circuit 負荷20MΩの共振特性Resonance characteristics of load 20MΩ 負荷30MΩの共振特性Resonance characteristics of load 30MΩ 負荷40MΩの共振特性Resonance characteristics of load 40MΩ 負荷50MΩの共振特性Resonance characteristics of load 50MΩ 負荷20MΩに4 kVを出力する場合When outputting 4 kV to a load of 20 MΩ 負荷200MΩに2 kVを出力する場合When outputting 2 kV to a load of 200 MΩ

Claims (6)

共振回路の共振周波数をωr、Q値をQ、共振周波数における昇圧比をgrとするとき、δ, ω0およびcを

と定義し、定数wを振幅として時間の関数ψを位相として周波数変調された搬送波を
と書くとき、搬送波の変調帯域が共振回路の共振周波数に較べて十分に狭い共振回路の伝達関数を
によって近似し、 数式 4のψからφへの写像を
と定義することにより数式 4に記載された周波数変調された搬送波の周波数を
と表し、rrおよびri

により定義するとき、伝達関数が数式 5で与えられる共振回路に数式 4で与えられる搬送波を入力したときの共振回路から出力される搬送波の振幅は、連立微分方程式

を満たすp, qにより
と表すことが出来るので、共振回路から出力される搬送波を整流平滑して生成される直流電圧を、整流平滑回路の時定数をμ、整流平滑回路 における振幅の乗数をνとして一時遅れを表すzに関する微分方程式
の解として求め、
さらに整流平滑回路からの出力電圧zを参照電圧λと比較し、電圧の誤差を搬送波の周波数φに帰還する帰還回路の伝達関数は数式 6に定義されたφと数式 13のzと参照電圧 λと正数 k, d, E, A, Bとを使って、φ ≧ 0の場合
と表せるので、この伝達関数を数式 10、数式 11、数式 13の微分方程式と連立させることにより次の正規な微分方程式系を導き、

この微分方程式系の平衡点を(pe, qe, ze,
φe)とするとき、 pe, qe, zeおよびλはφeの関数として

と表すことができ、この平衡点の近傍で線形化された微分方程式の固有多項式をm(h)とし、m(h)を
と表すと、
として、係数 a0, a1, a2,
a3, a4

によって与えられ,
またφ ≦ 0の場合、φを-φと置くことにより、電圧の誤差を搬送波の周波数に帰還する帰還回路の伝達関数は数式 14で表され、 数式 10, 数式 11において、φを-φと置くと、

を得るので、数式 14、数式 30、数式 31、数式 13をφの変域をφ ≧
0とした微分方程式として連立させることにより数式 15〜数式 18に相当する正規な微分方程式系を導き、この平衡点の近傍で線形化された微分方程式の固有多項式をm(h)とし、m(h)を
と表すと、
として、係数 a0, a1, a2,
a3, a4は再び数式 25〜数式 29によって与えられるので、いずれの場合にも,係数
a0, a1, a2, a3, a4は φ ≧ 0として 数式 25〜数式 29によって与えられることがわかり、
さらに数式 25〜数式 29において項 k d ν rはまとまってA, B, またはEとともに現れるので、
と置き、さらにB′とE′を

つまり

と表し、さらにこのB′とE′を再びBとEと書くと、係数 a0, a1,
a2, a3, a4は以下のように

φeの関数として再定義され、
数式 23、 数式 32において定義された固有多項式m(h)を、 数式 39〜数式 43の係数 a0, a1, a2, a3, a4を用いて
と再定義すると、固有関数m(h)は次のように書くことができるので、
高圧発生回路の伝達関数をFw、帰還回路の伝達関数をBkとすると、数式 45から定数倍と共通の定数CにたいしてC Fwと(1/C) Bkとの違いを除いて、Fwについて
となり、Bkについて
となることが分かり、閉ループの伝達関数Fw/(1+Fw
Bk)を計算すると

となるので、固有関数m(h)は閉ループ伝達関数Fw/(1+Fw Bk)の分母に定数倍を除き一致することがわかり、固有多項式m(h)のすべての根の実部が負となるようにE, B, Nを選ぶことにより、高圧発生回路と帰還回路からなる閉ループ伝達関数の分母のすべての根の実部が負であるという意味で安定な帰還を実現することを特徴とする方法。
When the resonance frequency of the resonance circuit is ω r , the Q value is Q, and the boost ratio at the resonance frequency is g r , δ, ω 0 and c are

And a frequency-modulated carrier wave with the constant w as the amplitude and the time function ψ as the phase.
The transfer function of a resonant circuit where the modulation band of the carrier wave is sufficiently narrow compared to the resonant frequency of the resonant circuit.
And the mapping from ψ to φ in Equation 4
By defining the frequency of the frequency-modulated carrier wave described in Equation 4 as
And r r and r i

When the carrier wave given by Equation 4 is input to the resonance circuit whose transfer function is given by Equation 5, the amplitude of the carrier wave output from the resonance circuit is the simultaneous differential equation.

P, q satisfying
Z represents the temporary delay with the DC voltage generated by rectifying and smoothing the carrier wave output from the resonant circuit, the time constant of the rectifying and smoothing circuit is μ, and the multiplier of the amplitude in the rectifying and smoothing circuit is ν. Differential equation with respect to
As a solution of
Further, the output voltage z from the rectifying and smoothing circuit is compared with the reference voltage λ, and the transfer function of the feedback circuit that feeds back the voltage error to the carrier frequency φ is φ defined in Equation 6, z in Equation 13, and the reference voltage λ And positive numbers k, d, E, A, B, and φ ≥ 0
Therefore, by connecting this transfer function with the differential equations of Equation 10, Equation 11, and Equation 13, the following normal differential equation system is derived,

The equilibrium point of this differential equation system is expressed as (p e , q e , z e ,
φ e ), p e , q e , z e and λ are functions of φ e

Let m (h) be the eigenpolynomial of the differential equation linearized in the vicinity of this equilibrium point, and m (h)
And
As coefficients a 0 , a 1 , a 2 ,
a 3 and a 4 are

Given by
When φ ≦ 0, by setting φ to −φ, the transfer function of the feedback circuit that feeds back the voltage error to the carrier frequency is expressed by Equation 14. In Equations 10 and 11, φ is −φ. If you put

So that the range of φ is expressed as φ ≧
By deriving as a differential equation set to 0, a normal differential equation system corresponding to Equations 15 to 18 is derived, and an eigen polynomial of the differential equation linearized in the vicinity of this equilibrium point is m (h), and m (h h)
And
As coefficients a 0 , a 1 , a 2 ,
Since a 3 and a 4 are again given by Equation 25 to Equation 29, in each case, the coefficient
It can be seen that a 0 , a 1 , a 2 , a 3 , a 4 are given by Equation 25 to Equation 29 with φ ≧ 0,
Furthermore, in Equation 25 to Equation 29, the term kd ν r appears together with A, B, or E, so
And then B ’and E ′

That is

And B 'and E' are written again as B and E. The coefficients a 0 , a 1 ,
a 2 , a 3 , a 4 are as follows

redefined as a function of φ e
Using the coefficients a 0 , a 1 , a 2 , a 3 , and a 4 of Equation 39 to Equation 43, the intrinsic polynomial m (h) defined in Equation 23 and Equation 32 is used.
And the eigenfunction m (h) can be written as
Assuming that the transfer function of the high-voltage generation circuit is F w and the transfer function of the feedback circuit is B k , except for the difference between CF w and (1 / C) B k for constant constant and the common constant C from Equation 45, F About w
And about B k
The closed-loop transfer function F w / (1 + F w
B k )

Therefore, it can be seen that the eigenfunction m (h) matches the denominator of the closed-loop transfer function F w / (1 + F w B k ), except for a constant multiple, and that all roots of the eigenpolynomial m (h) are real. By selecting E, B, and N so that the part is negative, stable feedback is realized in the sense that the real part of all roots of the denominator of the closed-loop transfer function consisting of the high-voltage generator and feedback circuit is negative A method characterized by that.
請求項1の数式 45から固有関数m(h)は

と書くことができ、この第1項はh < -1/μで正となることから、hの領域Sを
と定義すると、Sに属する任意のhに対してφに依らずにm(h) > 0となり、したがってm( h ) = 0の実根はSの補集合に含まれるので、領域Rを
と定義し、Rが空集合でないことを仮定してRに属する任意のhに対してm(h)をφの関数と考えたEh(φ)を
と定義すると、Rに属する任意のhに対して一意的に決まるφhにおいてEh(φ)は最小値Ehh)すなわち
をとるので、Rに属する任意のhに対して一意的にEhh)を対応させる関数Fすなわち
を定義することが可能となり、このFについて
となるhはφに依らずm(h) > 0となるので、FがE,
B, Nに依存することを利用してE, B, Nを適切に選ぶことにより、m(h) = 0の実根の範囲を限定することを特徴とする方法。
From equation 45 of claim 1, the eigenfunction m (h) is

Since this first term is positive when h <-1 / μ, the region S of h is
For any h belonging to S, m (h)> 0 regardless of φ, so the real root of m (h) = 0 is included in the complement of S.
E h (φ) where m (h) is considered to be a function of φ for any h belonging to R assuming that R is not an empty set.
Defining and, uniquely determined for any h belonging to R phi h in E h (phi) is the minimum value E h (phi h) That
Therefore, a function F that uniquely corresponds E hh ) to any h belonging to R, that is,
About this F
Since h (m)> 0 regardless of φ, F is E,
A method characterized by limiting the range of real roots of m (h) = 0 by appropriately selecting E, B, and N by utilizing the dependence on B and N.
直流安定化高圧電源は、共振回路を駆動する搬送波を生成するドライバー回路とこの搬送波を入力とする共振回路と共振回路の出力である高周波交流を整流することにより当該電源の出力となる直流電圧を生成する整流平滑回路とを含む電圧発生回路と、電圧発生回路の出力電圧と外部から供給される出力電圧を設定する参照電圧とを入力とする誤差増幅器と共振回路を駆動する搬送波の周波数を発生する周波数変調器とを含む帰還回路とを包含し、誤差増幅器の制御する周波数変調器はドライバー回路の発生する搬送波の周波数を制御する手段を持ち、共振回路を駆動する搬送波の周波数を変調するので、搬送波を周波数変調から振幅変調に変換する共振回路の出力は誤差増幅器の出力によって振幅変調された搬送波であり、整流平滑回路によって振幅変調された搬送波から復調された出力電圧を誤差増幅器に入力することにより実現される出力電圧を安定化する帰還は整流平滑回路の出力電圧がグランドから離れる方向にのみ働くので、請求項1の固有多項式
数式 44の特性代表根が虚根から分離された実根となるような帰還を実現することにより当該電源に接続された広い範囲の負荷に対して出力電圧を安定化することを特徴とする回路
A DC stabilized high-voltage power supply rectifies a driver circuit that generates a carrier wave that drives a resonance circuit, a resonance circuit that receives the carrier wave, and a high-frequency alternating current that is the output of the resonance circuit, thereby generating a DC voltage that is output from the power supply. Generates a frequency of a carrier wave that drives a resonance circuit and an error amplifier that receives a voltage generation circuit including a rectifying and smoothing circuit to be generated, and an output voltage of the voltage generation circuit and a reference voltage that sets an output voltage supplied from outside The frequency modulator controlled by the error amplifier has means for controlling the frequency of the carrier wave generated by the driver circuit, and modulates the frequency of the carrier wave driving the resonant circuit. The output of the resonant circuit that converts the carrier wave from frequency modulation to amplitude modulation is a carrier wave that is amplitude modulated by the output of the error amplifier, and is a rectifying and smoothing circuit Therefore, the feedback that stabilizes the output voltage realized by inputting the output voltage demodulated from the amplitude-modulated carrier wave to the error amplifier works only in the direction in which the output voltage of the rectifying and smoothing circuit is away from the ground. It is characterized by stabilizing the output voltage for a wide range of loads connected to the power supply by realizing feedback such that the characteristic representative root of the intrinsic polynomial equation (44) is a real root separated from the imaginary root. Circuit
請求項3で与えられた直流安定化高圧電源において、位相補償回路の伝達関数が正数 EとBとを用いて
と与えられるとき、EとBとが

を満たしているとき、数式 44においいて定義された固有多項式 m(h)の特性代表根は原点の近傍に位置する実根となり、請求項2で定義されたF(h)がN, E, Bに依存することを利用してN, E, Bを適切に選び、特性代表根を虚根から分離するF(h)を実現することにより虚根から分離された実根が特性代表根となる帰還を実現することを特徴とする方法。
In the DC stabilized high voltage power supply given in claim 3, the transfer function of the phase compensation circuit is expressed by using positive numbers E and B.
And E and B are

Is satisfied, the characteristic representative root of the proper polynomial m (h) defined in Equation 44 is a real root located near the origin, and F (h) defined in claim 2 is N, E, B By selecting N, E, and B appropriately using the dependence on F, and realizing F (h) that separates the characteristic representative root from the imaginary root, the real root separated from the imaginary root is returned as the characteristic representative root. A method characterized by realizing.
位相補償回路の伝達関数が正数EとBとを用いて
と与えられた請求項3の直流安定化高圧電源において、出力電圧にリップルが重畳しており、Nはリップルの増幅またBはリップルの微分にかかわるために、リップルがNとBとを主に制約する場合にはEとBとは

が現実的な選択となり、このとき原点の近傍の特性代表根を-ξとすると
となり、出力電圧の立ち上がりの時定数はすくなくとも1/(2 E)より長くなるので、帰還が有効となる周波数の帯域の外側にあるリップルをフィルターにより減衰させることにより帰還の直流的ループゲインを大きくすることを特徴とする方法。
Transfer function of phase compensation circuit using positive numbers E and B
In the DC-stabilized high-voltage power supply according to claim 3, the ripple is superimposed on the output voltage, and N is related to the amplification of the ripple or B is related to the differential of the ripple. When constraining, E and B are

Becomes a realistic choice, and the characteristic representative root near the origin is -ξ
The rise time constant of the output voltage is at least longer than 1 / (2 E), so the ripple outside the frequency band where feedback is effective is attenuated by the filter to increase the DC loop gain of feedback. A method characterized by:
直流安定化高圧電源は、共振回路を駆動する搬送波を生成するドライバー回路とこの搬送波を入力とする共振回路と共振回路の出力である高周波交流を整流することにより当該電源の出力となる直流電圧を生成する整流平滑回路とを含む電圧発生回路と、電圧発生回路の出力電圧と出力電圧を設定する外部から供給される参照電圧とを入力とする誤差増幅器と共振回路を駆動する搬送波の周波数を発生する周波数変調器とを含む帰還回路とを包含し、誤差増幅器の制御する周波数変調器はドライバー回路の発生する搬送波の周波数を制御する手段を持ち、電圧発生回路の出力である直流電圧を共振回路を駆動する搬送波の周波数に帰還することにより出力電圧を安定化する当該電源において、共振回路の共振周波数より低い周波数領域に属する周波数の搬送波によって共振回路を駆動することにより、共振回路の共振周波数より高い周波数領域に属する周波数の搬送波によって共振回路を駆動する場合の共振回路から出力される搬送波の振幅の増加あるいは減少を実現する周波数の低下あるいは上昇に伴う周波数の変化が、振幅の変化による整流平滑回路の出力電圧の変化を一時的に妨げる向きに働くこと避けることを特徴とする回路. A DC stabilized high-voltage power supply rectifies a driver circuit that generates a carrier wave that drives a resonance circuit, a resonance circuit that receives the carrier wave, and a high-frequency alternating current that is the output of the resonance circuit, thereby generating a DC voltage that is output from the power supply. Generates a voltage generator circuit including a rectifying / smoothing circuit to be generated, an output voltage of the voltage generator circuit, and a reference voltage supplied from the outside for setting the output voltage, and a frequency of a carrier wave driving the resonance circuit The frequency modulator controlled by the error amplifier has a means for controlling the frequency of the carrier wave generated by the driver circuit, and a resonance circuit for the DC voltage that is the output of the voltage generating circuit. In the power supply that stabilizes the output voltage by feeding back to the frequency of the carrier wave that drives the By driving the resonance circuit with a carrier wave having a frequency, the amplitude of the carrier wave output from the resonance circuit is increased or decreased when the resonance circuit is driven with a carrier wave having a frequency higher than the resonance frequency of the resonance circuit. A circuit that avoids changes in the frequency accompanying a decrease or increase in frequency from temporarily acting to prevent changes in the output voltage of the rectifying and smoothing circuit due to changes in amplitude.
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