JP2009021727A - スイッチング回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 コストを抑制しつつ、高調波を充分に除去でき、任意の折線波形及びそれに近似の曲線波形を生成することができ、良好なノイズ特性と損失特性を実現することができるスイッチング回路を提供すること。
【解決手段】 パワートランジスタＭ１を駆動する制御パルスを生成する制御パルス生成部２と、規範電圧波形追従駆動部４へ入力する信号波形を、予めノイズ特性と損失特性を設定した波形にして出力する規範電圧波形生成部３を備え、規範電圧波形生成部３は、制御パルスから複数段で折った波形を生成する折線波形生成部３１と、折線波形生成部３１の出力波形のノイズ成分を除去するRCローパスフィルタ３２を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スイッチング回路の技術分野に属する。

従来のスイッチング回路では、電界効果型出力トランジスタのゲート電圧をフィードバックしている（例えば、特許文献１参照。）。

また、立ち上がり、立ち下がりの時の波形を任意に変えるための回路として折線回路を備えたものもある（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００５−２１８０６８号公報（第２−７頁、全図） 特開平９−７１２５２号公報（第２−７頁、全図）

しかしながら、従来にあっては、折り点部分による高調波が充分に除去できていなかった。また、オペアンプを用いた構成はコストが高かった。

本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、コストを抑制しつつ、高調波を充分に除去でき、任意の折線波形及びそれに近似の曲線波形を生成することができ、良好なノイズ特性と損失特性を実現することができるスイッチング回路を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、フィードバック構成部によりスイッチング素子を駆動して負荷を作動させるスイッチング回路において、前記スイッチング素子を駆動する制御パルスを生成する制御パルス生成手段と、前記フィードバック構成部へ入力する信号波形を、予めノイズ特性と損失特性を設定した波形にして出力する規範電圧波形生成手段を備え、前記規範電圧波形生成手段は、前記制御パルスから複数段で折った波形を生成する折線波形生成手段と、前記折線波形生成手段の出力波形のノイズ成分を除去するフィルタ手段と、を備えたことを特徴とする。

よって、本発明にあっては、コストを抑制しつつ、任意の折線波形及びそれに近似の曲線波形を生成することができ、良好なノイズ特性と損失特性を実現することができる。

以下、本発明のスイッチング回路を実現する実施の形態を、請求項１，２，３，４に係る発明に対応する実施例１と、請求項１，２，３，５に係る発明に対応する実施例２と、請求項１，２，３，６に係る発明に対応する実施例３に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は実施例１のスイッチング回路のブロック図である。
実施例１のスイッチング回路１は、制御パルス生成部２、規範電圧波形生成部３、規範電圧波形追従駆動部４、負荷５、電源６を主要な構成としている。
制御パルス生成部２は、規範電圧波形追従駆動部４を駆動制御するための波形となる制御パルスを生成し出力する。
規範電圧波形生成部３は、予めノイズと損失が要求される所定の値を満たす入力波形（本明細書において規範波形と呼ぶ）を生成し出力する。
規範電圧波形追従駆動部４は、入力される規範波形によりオンオフのスイッチシングを行う駆動部である。
負荷５は、スイッチングによる電圧のオンオフで駆動するものである。
電源６は、負荷５の駆動のための電源を供給する。

実施例１のスイッチング回路の規範電圧波形生成部３について、さらに詳細に説明する。
図２は実施例１のスイッチング回路のブロック図である。
実施例１のスイッチング回路１において、規範電圧波形生成部３は、折線波形生成部３１とRCローパスフィルタ３２を主要な構成としている。
図３は折線波形生成部３１の具体的な構成例を示す回路構成図である。
図４は図３の折線波形生成部の構成例の立上り時の入出力波形特性を示すグラフ図である。
図５は図３の折線波形生成部の構成例の立下がり時の入出力波形特性を示すグラフ図である。

折線波形生成部３１は、制御パルス生成部２からの入力出力ライン上に設けた抵抗Ｒ１と、PNP型で、ベースに電源Ｖ３を接続し、エミッタに抵抗Ｒ２を介して抵抗Ｒ１の下流と接続し、コレクタを接地したトランジスタＱ１と、PNP型で、ベースに電源Ｖ４を接続し、エミッタに抵抗Ｒ３を介して抵抗Ｒ１の下流と接続し、コレクタを接地したトランジスタＱ２と、PNP型で、ベースに電源Ｖ５を接続し、エミッタに抵抗Ｒ４を介して抵抗Ｒ１の下流と接続し、コレクタを接地したトランジスタＱ３を備えている。さらに、折線波形生成部３１は、NPN型で、ベースに電源Ｖ６を接続し、コレクタに電源Ｖ２を接続し、エミッタに抵抗Ｒ５を介して抵抗Ｒ１の下流に接続したトランジスタＱ４と、NPN型で、ベースに電源Ｖ７を接続し、コレクタに電源Ｖ２を接続し、エミッタに抵抗Ｒ６を介して抵抗Ｒ１の下流に接続したトランジスタＱ５と、NPN型で、ベースに電源Ｖ８を接続し、コレクタに電源Ｖ２を接続し、エミッタに抵抗Ｒ７を介して抵抗Ｒ１の下流に接続したトランジスタＱ６を備えている。

図６はRCローパスフィルタ３２の回路構成を示す図である。
図７はRCローパスフィルタ３２の周波数特性を示すグラフ図である。
RCローパスフィルタ３２は、信号ラインに設けた抵抗Ｒ８と信号ラインとグランドの間に設けたコンデンサＣ１からなり、図７に周波数特性を示すように高調波の通過を抑制する。

図８は実施例１のスイッチング回路の具体的な回路構成例を示す図である。
図８に示す回路構成では、折線波形生成部３１とRCローパスフィルタ３２の間に反転器Ａ１を設け、RCローパスフィルタ３２と規範電圧波形追従駆動部４の間に反転器Ａ２を設けている。
そして、規範電圧波形追従駆動部４は、抵抗Ｒ９〜Ｒ１４、電源Ｖ９、コンデンサＣ２、トランジスタＱ７〜Ｑ１２、ダイオードＤ１，Ｄ２、パワートランジスタＭ１（スイッチング素子）により構成されており、トランジスタＱ７，Ｑ８とトランジスタＱ９，Ｑ１０がカレントミラー回路を構成したフィードバック構成である。
負荷５は、モータを想定し、抵抗Ｒ１５，Ｒ１６、インダクタンスＬ１、パワートランジスタＭ２により構成している。

作用を説明する。
[良好なノイズ特性と損失特性の生成作用]
実施例１のスイッチング回路１では、まず、制御パルス生成部２が立上り及び立下りを有するパルス、例えばPWMパルスとして台形波状のパルスを出力する。
規範電圧波形生成部３では、立上り又は立下りのタイミングを用いて、規範波形を生成する。より具体的には、例えばRCローパスフィルタ３２で折線波形を丸めた波形を生成する。
規範電圧波形追従駆動部４では、例えば図８に示すようなカレントミラーの回路構成部分により、入力される規範電圧波形と出力電圧波形を近づけるようにした波形によりパワートランジスタＭ１（スイッチング素子）を駆動することで、規範電圧波形に追従した出力電圧波形が得られる。
これにより、ノイズ及び損失の緻密な制御が可能となる。

さらに説明する。
図９は台形波と規範電圧波形のＦＦＴ波形及び時間軸波形のグラフ図である。
図１０は実施例１のスイッチング回路における折線波形生成部及びRCローパスフィルタの波形のタイムチャートである。
実施例１のスイッチング回路１では、図９に示すように折線波形生成部３１及びRCローパスフィルタ３２で構成する規範電圧波形生成部３により規範電圧波形（図９の線１０１ｂ）を得る。台形波（図９の線１０１ａ）に比較して、より複雑な任意の波形を得ることができる。

折線波形生成部３１では、図３に示す具体構成例において、電源Ｖ１からの出力波形（制御パルス生成部２からの制御パルス）が０Ｖの時は、トランジスタＱ４，Ｑ５，Ｑ６がオンとなり、出力は電源Ｖ２の電圧（例えば５Ｖ）に対して、Ｒ１対Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６の並行接続の抵抗分圧した値が出力される。この時、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３はオフである。

そして、徐々に電源Ｖ１の電圧が上昇すると、トランジスタＱ６、トランジスタＱ５、トランジスタＱ４の順にオフしていき、波形の立上りの傾斜が急になる。さらに、電源Ｖ１の電圧が上昇すると、トランジスタＱ３、トランジスタＱ２、トランジスタＱ１の順にオンして行くので、波形の傾斜はゆるくなる。これにより、図４、図５に示すように、入力される台形波の制御パルス（図４、図５の線１００ａ）を複数段で線を折った波形（図４、図５の線１００ｂ）にする。
よって、折線波形生成部３１からの出力は、図１０に線１０２ａで示すように、複数段で折り線にした、ノイズと損失を良好な特性にする波形にする。

次にRCローパスフィルタ３２では、図７に示す特性のように、高調波の通過を抑制するため、折線波形生成部３１からの出力をさらに整形して、図１０に線１０２ｂで示すように緩やかな変化の波形にする。これが規範電圧波形となる。
言い換えると、ノイズと損失を良好にする擬似SIN波を形成した折線波形生成部３１の波形の高調波を充分に除去する。

そして、RCローパスフィルタ３２からの規範電圧波形により、これに追従するようフィードバックするようにして、図８に具体的な構成例示す規範電圧波形追従駆動部４でスイッチング素子（パワートランジスタＭ１）を駆動する。フィードバックされた波形は図１０に線１０２ｃで示すものとなる。これにより、スイッチング素子による負荷５の駆動は、総じてノイズと負荷を良好な特性にしたものとなる。

さらに、言い換えて説明する。
スイッチング回路１において、例えば、フィードフォワード回路構成を考えることができるが、フィードフォワード回路構成ではスイッチング素子の特性が出力波形として強く現れる傾向がある。これに対して、実施例１のスイッチング回路１の規範電圧波形追従駆動部４のようにフィードバック回路構成では、駆動波形を高調波成分の少ない波形とすることで、ほぼそのままの出力波形を得ることができるため、高調波ノイズの低減が可能となる。

高調波ノイズ成分が少ない波形を生成するものとして、PWMパルスを生成する制御パルス生成部２を設けた場合、高調波ノイズの主成分は、パルスの立上り、立下り時の波形に強く依存する。
実施例１では、折線波形生成部３１により、このパルスの立上り、立下り時の波形を任意に変更する。なお、立上り、立下りはそれぞれ最適なものとなるよう任意に変更すればよく、異なるものでよい（図４、図５）。そして、RCローパスフィルタ３２により、任意の折線波形の高調波成分を少なくすることにより、ノイズと損失特性を良好にする。
また、折線波形生成部３１はトランジスタＱ１〜Ｑ６で構成しているのでコストを抑制したものとなる。

効果を説明する。
実施例１のスイッチング回路にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。
(1)規範電圧波形追従駆動部４によりパワートランジスタＭ１を駆動して負荷５を作動させるスイッチング回路１において、パワートランジスタＭ１を駆動する制御パルスを生成する制御パルス生成部２と、規範電圧波形追従駆動部４へ入力する信号波形を、予めノイズ特性と損失特性を設定した波形にして出力する規範電圧波形生成部３を備え、規範電圧波形生成部３は、制御パルスから複数段で折った波形を生成する折線波形生成部３１と、折線波形生成部３１の出力波形のノイズ成分を除去するRCローパスフィルタ３２を備えたため、コストを抑制しつつ任意の折線波形及びそれに近似の曲線波形を生成することができ、良好なノイズ特性と損失特性を実現することができる。

(2)折線波形生成部３１は、台形波の制御パルスに対して、複数のトランジスタＱ１〜Ｑ６により台形波の立上り及び立下りのゲインを変えて折線波形を生成するため、トランジスタによる構成でコストを抑制しつつ、複数のトランジスタを段階的に作動させて、折線波形を生成し、任意の折線波形を生成することができ、良好なノイズ特性と損失特性を実現することができる。

(3)折線波形生成部３１は、折線波形の立上りと立下りを異なる波形にしたため、より最適な折線波形を得ることができ、良好なノイズ特性と損失特性を実現することができる。

(4)フィルタ手段は、RCローパスフィルタ３２で構成したため、抵抗とコンデンサのみの構成でコストを抑制でき、簡素な構造で信頼性を高めることができ、パルスを丸めるようにして規範波形を生成して、良好なノイズ特性と損失特性を実現することができる。

実施例２のスイッチング回路は、フィルタ手段としてRCツインTノッチフィルタを用いる構成にした例である。
構成を説明する。
図１１は実施例２におけるRCツインTノッチフィルタの回路構成を示す図である。図１２は実施例２におけるRCツインTノッチフィルタの等価回路を示す説明図である。図１３は実施例２におけるRCツインTノッチフィルタの周波数特性を示すグラフ図である。

RCツインTノッチフィルタ３３は、信号ラインに直列に設けた抵抗Ｒ１７及び抵抗Ｒ１８と、抵抗Ｒ１７，Ｒ１８と並行に設けたコンデンサＣ３及びコンデンサＣ４と、抵抗Ｒ１７と抵抗Ｒ１８の間とグランドの間に設けたコンデンサＣ５と、コンデンサＣ３及びＣ４の間とグランドの間に設けた抵抗Ｒ１９とからなる。
RCツインTノッチフィルタ３３は、π型等価特性で置き換えると図１２のようになり、伝達特性は、以下の数式１、数式２のようになる。

そして、図１３に示すようにノッチ周波数近傍の周波数成分の通過を抑制する。

作用を説明する。
実施例２のスイッチング回路１では、折線波形生成部３１からの出力、つまり折線波形に対し、特定周波数の近傍領域の通過を抑制し、ノイズと損失を良好にする規範電圧波形を生成する。
この特定周波数は、回路構成により任意に変更できるため、効果的にノイズ抑制を行える。
また、RCツインTノッチフィルタ３３は、抵抗とコンデンサのみで構成しているため、コストを抑制したものとなる。

効果を説明する。
実施例２のスイッチング回路では、上記(1)〜(3)に加えて、以下の効果を有する。
(5)フィルタ手段は、RCツインTフィルタ３３で構成したため、抵抗とコンデンサのみの構成でコストを抑制でき、簡素な構造で信頼性を高めることができ、特定周波数の近傍における通過を抑制して、良好なノイズ特性と損失特性を実現することができる。
その他作用効果は実施例１と同様であるので、説明を省略する。

実施例３のスイッチング回路は、フィルタ手段として３次LCノッチフィルタを用いる構成にした例である。
構成を説明する。
図１４は実施例３における３次LCノッチフィルタの回路構成を示す図である。図１５は実施例３における３次LCノッチフィルタの特性を示すための回路構成を示す説明図である。図１６は図１５に示す３次LCノッチフィルタの周波数特性を示すグラフ図である。

３次LCノッチフィルタ３４は、信号ライン上にコンデンサＣ６を設け、これと並行にインダクタンスＬ２を設ける。そして、コンデンサＣ６及びインダクタンスＬ２の上流側とグランドの間に、直列にインダクタンスＬ３とコンデンサＣ７を設け、コンデンサＣ６及びインダクタンスＬ２の下流側とグランドの間に、直列にインダクタンスＬ４とコンデンサＣ８を設ける。

そして、例えば図１５に示すように、上流に交流電源Ｖ１１と抵抗Ｒ１７を設け、下流に抵抗Ｒ１８設けると、図１６に示すような周波数特性を得ることができる。
その他構成は、実施例１と同様であるので説明を省略する。

作用を説明する。
実施例３では、フィルタ手段として３次LCノッチフィルタ３４を用いている。
３次LCノッチフィルタ３４でも、折線波形に対してノッチ周波数近傍の通過を抑制するようにして、良好なノイズ特性及び損失特性を実現する規範電圧波形を生成する。
また、３次LCノッチフィルタ３４は、コンデンサとインダクタンスのみで構成され、コストを抑制し、簡素な構成により信頼性を高くする。

効果を説明する。
実施例３のスイッチング回路においては、上記(1)〜(3)に加えて以下の効果を有する。
(6)フィルタ手段は、３次LCノッチフィルタ３４で構成したため、コンデンサとインダクタンスのみの構成でコストを抑制でき、簡素な構造で信頼性を高めることができ、特定周波数の近傍における通過を抑制して、良好なノイズ特性と損失特性を実現することができる。
その他作用効果は実施例１と同様であるので、説明を省略する。

以上、本発明のスイッチング回路を実施例１〜実施例３に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。
負荷の例としてはモータ、照明や他の動作装置などが挙げられる。

実施例１のスイッチング回路のブロック図である。 実施例１のスイッチング回路のブロック図である。 折線波形生成部の具体的な構成例を示す回路構成図である。 図３の折線波形生成部の構成例の立上り時の入出力波形特性を示すグラフ図である。 図３の折線波形生成部の構成例の立下がり時の入出力波形特性を示すグラフ図である。 RCローパスフィルタの回路構成を示す図である。 RCローパスフィルタの周波数特性を示すグラフ図である。 実施例１のスイッチング回路の具体的な回路構成例を示す図である。 台形波と規範電圧波形のＦＦＴ波形及び時間軸波形のグラフ図である。 実施例１のスイッチング回路における折線波形生成部及びRCローパスフィルタの波形のタイムチャートである。 実施例２におけるRCツインTノッチフィルタの回路構成を示す図である。 実施例２におけるRCツインTノッチフィルタの等価回路を示す説明図である。 実施例２におけるRCツインTノッチフィルタの周波数特性を示すグラフ図である。 実施例３における３次LCノッチフィルタの回路構成を示す図である。 実施例３における３次LCノッチフィルタの特性を示すための回路構成を示す説明図である。 図１５に示す３次LCノッチフィルタの周波数特性を示すグラフ図である。

符号の説明

１ スイッチング回路
２ 制御パルス生成部
３ 規範電圧波形生成部
３１ 折線波形生成部
３２ RCローパスフィルタ
３３ RCツインTノッチフィルタ
３４ ３次LCノッチフィルタ
４ 規範電圧波形追従駆動部
５ 負荷
６ 電源
１００ａ （台形波の特性を示す）線
１００ｂ （折線波形の特性を示す）線
１０１ａ （台形波の特性を示す）線
１０１ｂ （規範電圧波形の特性を示す）線
１０２ａ〜１０２ｃ （各部の波形を示す）線
Ｃ１〜Ｃ８ コンデンサ
Ｄ１ ダイオード
Ｄ２ ダイオード
Ｌ１〜Ｌ４ インダクタンス
Ｍ１ パワートランジスタ
Ｍ２ パワートランジスタ
Ｑ１〜Ｑ１２ トランジスタ
Ｖ１〜Ｖ１１ 電源
Ｒ１〜Ｒ１８ 抵抗
Ａ１ 反転器
Ａ２ 反転器

Claims (6)

1. フィードバック構成部によりスイッチング素子を駆動して負荷を作動させるスイッチング回路において、
   前記スイッチング素子を駆動する制御パルスを生成する制御パルス生成手段と、
   前記フィードバック構成部へ入力する信号波形を、予めノイズ特性と損失特性を設定した波形にして出力する規範電圧波形生成手段を備え、
   前記規範電圧波形生成手段は、
   前記制御パルスから複数段で折った波形を生成する折線波形生成手段と、
   前記折線波形生成手段の出力波形のノイズ成分を除去するフィルタ手段と、
   を備えた、
   ことを特徴とするスイッチング回路。
2. 請求項１に記載のスイッチング回路において、
   前記折線波形生成手段は、
   台形波の前記制御パルスに対して、複数のトランジスタにより台形波の立上り及び立下りのゲインを変えて折線波形を生成する、
   ことを特徴とするスイッチング回路。
3. 請求項１又は請求項２に記載のスイッチング回路において、
   前記折線波形生成手段は、
   折線波形の立上りと立下りを異なる波形にした、
   ことを特徴とするスイッチング回路。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のスイッチング回路において、
   前記フィルタ手段は、ローパスフィルタで構成したことを特徴とするスイッチング回路。
5. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のスイッチング回路において、
   前記フィルタ手段は、ツインＴ型フィルタで構成したことを特徴とするスイッチング回路。
6. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のスイッチング回路において、
   前記フィルタ手段は、３次LCノッチフィルタで構成したことを特徴とするスイッチング回路。