JP2015133800A - 直流−交流変換器 - Google Patents
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Abstract
【課題】パワー半導体素子が発生するノイズおよび高調波歪みをさらに低減することが可能なDC−ACコンバータを提供する。【解決手段】直流−交流変換器1において、積分演算部IOは、アナログ入力信号SINとフィードバック信号SFBとの差を積分する。量子化器QTは、積分演算部IOの出力信号を1ビットのデジタル信号に変換する。駆動回路DRVは、量子化器QTの出力信号に基づいてブリッジ回路BRを構成する第1および第2の半導体スイッチ素子SE1,SE2を駆動する。フリップフロップU2は、第1および第2の半導体スイッチ素子SE1,SE2の接続ノードTOUTの電圧変化に応じたデジタル信号を生成する。デジタルアナログ変換部CNVは、フリップフロップU2の出力信号をアナログ信号に変換することによってフィードバック信号を生成する。【選択図】図1
Description
この発明は、直流を交流に変換する直流−交流変換器に関し、特にΔΣ変調を用いた直流―交流変換器に関するものである。
近年、電気機器の省電力化への取り組みが進んでおり、電力を効率よく変換できる電力機器が市場から求められている。従来、直流−直流変換器(DC−DCコンバータ)およびモータ制御用の直流−交流変換器(DC−ACコンバータ)などでは、スイッチング素子の制御信号は省電力化のためにパルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)を用いて生成されていた。しかしながら、PWMによって生成された信号は変調周波数が高く、さらに高調波信号の強度が大きいために、EMI(Electro Magnetic Interference)が発生したり、コモンモード電圧が発生したりする問題がある。
そこで、PWMに変わってPDM(Pulse Density Modulation)変調を用いたDC−DCコンバータおよびDC−ACコンバータが提案されている。この場合、PDM変調器としてΔΣモジュレータが用いられている。その他、オーディオ機器のパワーアンプにおいてもΔΣ変調が利用され始めている。以下、ΔΣ変調を用いた電力機器の例について説明する。
特開平6−225527号公報(特許文献1)ではΔΣ変調器を用いた電力制御装置が開示されている。この文献の技術は、負荷電流の変動幅が小さく誘導性負荷への出力が安定して得られる電力制御装置を提供することを目的とする。この電力制御装置は、基本構成として、デューティ比変調器(ΔΣモジュレータ)と、振幅変調回路と、整流器とを含む。デューティ比変調器(ΔΣモジュレータ)は、デューティ比設定値に基づいてデューティ比変調信号を出力する。振幅変調回路は、このデューティ比変調信号に基づいてクロック信号を振幅変調する。整流器は、振幅変調回路の出力する振幅変調信号に応じてトランスの一次巻線にスイッチング電流を流し、二次巻線に誘起されたスイッチング電流を整流して負荷側に供給する。
国際公開第2012/133241号(特許文献2)は、多値のパルス密度変調器と、複数のスイッチング素子とを基本構成として含むモータ駆動用のインバータを開示する。多値のパルス密度変調器は、モータの回転を制御する周期信号を変調する。複数のスイッチング素子は、パルス密度変調器の出力信号によって直流電流をオンまたはオフに切替えることによって、複数の交流信号を生成する。
この発明の目的は、ΔΣ変調を用いることにより、従来のPWM方式のDC−ACコンバータに比べてEMIを低減させるとともに、従来のΔΣ変調を用いた方法に比べて、パワー半導体素子が発生するノイズおよび高調波歪みをさらに低減することが可能なDC−ACコンバータを提供することである。
一実施の形態による直流−交流変換器は、直流電源ノードと接地ノードとの間に直列接続された第1および第2の半導体スイッチ素子を含むブリッジ回路と、第1および第2の半導体スイッチ素子のオンおよびオフを制御する制御回路とを備える。制御回路は、積分演算部と、量子化器と、駆動回路と、フリップフロップと、デジタルアナログ変換部とを含む。積分演算部は、アナログ入力信号とフィードバック信号との差を積分する。量子化器は、積分演算部の出力信号を1ビットのデジタル信号に変換する。駆動回路は、量子化器の出力信号に基づいて第1および第2の半導体スイッチ素子を駆動する。フリップフロップは、第1および第2の半導体スイッチ素子の接続ノードの電圧変化に応じたデジタル信号を生成する。デジタルアナログ変換部は、フリップフロップの出力をアナログ信号に変換することによってフィードバック信号を生成する。
上記の構成によれば、パワー半導体素子が発生するノイズおよび高調波歪みを従来よりも低減させることが可能なDC−ACコンバータを提供することができる。
以下、各実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。
<実施の形態1>
[DC−ACコンバータの概略的構成]
図1は、実施の形態1によるDC−ACコンバータの概略的構成を示すブロック図である。図1を参照して、DC−ACコンバータ1は、ブリッジ回路BRと、ブリッジ回路を構成する電力用の半導体スイッチ素子を制御する制御回路10とを含む。
[DC−ACコンバータの概略的構成]
図1は、実施の形態1によるDC−ACコンバータの概略的構成を示すブロック図である。図1を参照して、DC−ACコンバータ1は、ブリッジ回路BRと、ブリッジ回路を構成する電力用の半導体スイッチ素子を制御する制御回路10とを含む。
ブリッジ回路BRは、単相ハーフブリッジ回路、単相フルブリッジ回路、または三相ブリッジ回路などの構成を有する。図1には、ブリッジ回路BRに含まれる1つのアーム(たとえば、三相ブリッジ回路の一相分)の構成が示されている。
具体的に、ブリッジ回路BRは、直流電源ノードVDDと接地ノードVSSとの間に直列接続された第1および第2の半導体スイッチ素子SE1,SE2を含む。半導体スイッチ素子SE1,SE2の接続ノードが出力ノードTOUTとして負荷に接続される。直流電源ノードVDDには、たとえば、数百ボルトの高電圧が印加されている。
ブリッジ回路BRを構成する半導体スイッチ素子SE1,SE2として、たとえば、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、バイポーラトランジスタ、またはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などを用いることができる。これらのパワー半導体素子の半導体材料として、Si(Silicon)、SiC(Silicon Carbide)、またはGaN(Gallium Nitride)などを用いることができる。
制御回路10は、半導体スイッチ素子SE1,SE2のオンおよびオフを制御する。図1に示すように、制御回路10は、入力信号生成部SGと、積分演算部IOと、量子化器QTと、駆動回路DRVと、電圧検出部DTと、Dフリップフロップ(D−FF)U2と、デジタルアナログ(DA)変換部CNVとを含む。
入力信号生成部SGは、負荷電流または負荷電圧などに基づいて、DC−ACコンバータ1の出力を制御するためのアナログ入力信号SINを生成して出力する。積分演算部IOは、アナログ入力信号SINとDA変換部CNVからのフィードバック信号SFBとの偏差を出力する減算器SUBと、減算器SUBの出力を積分する積分器ITとを含む。量子化器QTは、積分器ITの出力を1ビットのデジタル信号に変換する。
駆動回路DRVは、量子化器QTの出力に応じて第1および第2の半導体スイッチ素子を駆動するゲート駆動信号を出力する。電圧検出部DTは、出力ノードTOUTの電圧を検出する。通常、駆動回路DRVおよび電圧検出部DTにはアイソレータが設けられている。さらに、電圧検出部DTには、出力ノードTOUTの電圧レベルを信号処理系で用いられる電圧レベルまで低減する分圧器が設けられている。
DフリップフロップU2は、電圧検出部DTによって検出された出力ノードTOUTの電圧に応じてハイレベル(Hレベル)またはローレベル(Lレベル)に切り替わるデジタル信号を生成する。DフリップフロップU2は、半導体スイッチ素子SE1,SE2およびアイソレータの遅延時間が、積分演算部IOの動作に影響を与えないように波形を整形するとともにタイミングを調整する。DA変換部CNVは、DフリップフロップU2の1ビットの出力信号をアナログ信号に変換することによってフィードバック信号SFBを生成する。
図2は、図1の比較例としてのDC−ACコンバータの構成を示すブロック図である。図1および図2を参照して、図2のDC−ACコンバータ901は、電圧検出部DTが設けられておらず、量子化器QTの出力信号がDフリップフロップU2に入力される点で図1のDC−ACコンバータ1と異なる。
積分演算部IO、量子化器QT、DフリップフロップU2、およびDA変換部CNVによって、いわゆるΔΣ変調器912が構成される。DフリップフロップU2は設けられていなくてもよい。ΔΣ変調器912は、アナログ入力信号SINの振幅に応じてパルス密度が変化する粗密波を生成する。駆動回路DRVはΔΣ変調器912から出力された粗密波に応じて、ブリッジ回路BRを構成する対応の半導体スイッチ素子SE1,SE2をオンまたはオフに切替える。
図1のDC−ACコンバータ1は、図2のΔΣ変調器912が構成するフィードバックループに駆動回路DRVおよびブリッジ回路BRも取り込んだものとみなすことができる。なお、フィードバック制御系の安定化のためには、アナログ入力信号SINが周期的な信号であることが望ましい。
このような構成によれば、半導体スイッチ素子SE1,SE2およびアイソレータなどが発生する雑音および高調波歪みを、ΔΣ変調器が有するノイズシェイピング機能によって高周波数領域に移動させることができるので、DC−ACコンバータ1の出力電圧を高精度化することができる。さらに、PWM変調器を用いたDC−ACコンバータに比べて、変調周波数の主成分及び高調波によって生じる振幅が小さく、EMIを改善することができる。
[DC−ACコンバータの詳細な構成]
図3は、実施の形態1によるDC−ACコンバータの詳細な構成を示す回路図である。
図3は、実施の形態1によるDC−ACコンバータの詳細な構成を示す回路図である。
図3を参照して、入力信号生成部SGは、出力ノードT1P,T1Nから差動信号(図1のアナログ入力信号SINに対応する)を出力する。さらに、入力信号生成部SGは、積分演算部IO、DフリップフロップU2、および図1の量子化器QTとしてのコンパレータCP1の各々のタイミングを制御するためのクロックCK1,CK2を生成する。図3において、図1の量子化器QTおよびDA変換部CNVは、それぞれラッチドコンパレータCP1およびDA変換器(DAC)U3によって構成される。
積分演算部IOは、スイッチドキャパシタ回路SC1,SC2、全差動増幅器A1、およびキャパシタCL1P,CL1Nを含む、スイッチドキャパシタ積分器として構成される。スイッチドキャパシタ回路SC1は、4組の相補スイッチ(S1P,S1N)〜(S4P,S4N)と、1対のサンプリングキャパシタCS1P,CS1Nとを含む。
1対の相補スイッチS1P,S1Nは、入力信号生成部SGの差動の出力ノードT1P,T1Nと1対のサンプリングキャパシタCS1P,CS1Nの一方の端子T2P,T2Nとの間にそれぞれ接続される。1対の相補スイッチS2P,S2Nは、端子T2P,T2Nとリファレンス電位を与えるリファレンスノードREFとの間にそれぞれ接続される。1対の相補スイッチS3P,S3Nは、1対のサンプリングキャパシタCS1P,CS1Nの他方の端子T3P,T3NとリファレンスノードREFとの間にそれぞれ接続される。1対の相補スイッチS4P,S4Nは、端子T3P,T3Nと全差動増幅器A1の入力端子T4N,T4Pとの間に接続される。入力端子T4Nが反転入力端子であり、入力端子T4Pが非反転入力端子である。
スイッチドキャパシタ回路SC2は、2組の相補スイッチ(S5P,S5N),(S6P,S6N)と、1対のサンプリングキャパシタCS2P,CS2Nとを含む。
1対の相補スイッチS5P,S5Nは、DA変換器U3の差動の出力ノードT7P,T7Nと1対のサンプリングキャパシタCS5P,CS5Nの一方の端子T8P,T8Nとの間にそれぞれ接続される。1対の相補スイッチS6P,S6Nは、端子T8P,T8NとリファレンスノードREFとの間にそれぞれ接続される。サンプリングキャパシタCS5P,CS5Nの他方の端子は、サンプリングキャパシタCS1P,CS2Pの他方の端子T3N,T3Pにそれぞれ接続される。
スイッチドキャパシタ回路SC1,SC2において、スイッチドキャパシタ回路SC2の負極側のサンプリングキャパシタCS2Nがスイッチドキャパシタ回路SC1の正極側のサンプリングキャパシタCS1Pに接続される。同様に、スイッチドキャパシタ回路SC2の正極側のサンプリングキャパシタCS2Pがスイッチドキャパシタ回路SC1の負極側のサンプリングキャパシタCS1Nに接続される。さらに、相補スイッチ(S3P,S3N),(S4P,S4N)は、両方のスイッチドキャパシタ回路SC1,SC2によって共有されている。これらの構成によって、図1で説明したようにアナログ入力信号SINからフィードバック信号SFBが減算される。
キャパシタCL1Pは、全差動増幅器A1の入力端子T4Nと出力端子T5Pとの間に接続され、キャパシタCL1Nは入力端子T4Pと出力端子T5Nとの間に接続される。これによって、全差動増幅器A1は積分器として機能する。
1ビットの量子化器としてのラッチドコンパレータCP1の入力端子T6N,T6Pは、全差動増幅器A1の出力端子T5P,T5Nにそれぞれ接続される。ラッチドコンパレータCP1は、反転入力端子T6Nの入力電圧と非反転入力端子T6Pの入力電圧との間の大小関係が反転するまで出力信号の論理レベル(HレベルまたはLレベル)を保持する。
駆動回路DRVは、アイソレータIS1と、ドライバD1,D2とを含む。アイソレータIS1は、ラッチドコンパレータCP1とドライバD1,D2とを電気的に分離する。ドライバD1は、出力ノードTOUTを基準電圧として動作する。ドライバD1は、アイソレータIS1を介して受けたラッチドコンパレータCP1の出力信号に応じて、高電位側の半導体スイッチ素子SE1のオンおよびオフを制御するためのゲート駆動信号を出力する。ドライバD2は、アイソレータIS1を介して受けたラッチドコンパレータCP1の出力信号に応じて、低電位側の半導体スイッチ素子SE2のオンおよびオフを制御するためのゲート駆動信号を出力する。
電圧検出部DTは、分圧器X1と、バッファ(増幅器)U1と、アイソレータIS2とを含む。分圧器X1は、出力ノードTOUTの電圧を信号処理系の電圧の大きさに変換する。分圧器X1の出力ノードは、バッファU1を介してアイソレータIS2に接続される。アイソレータIS2は、分圧器X1およびバッファU1と、DフリップフロップU2とを電気的に分離するために設けられている。
分圧器X1は、ブリッジ回路BRに与えられる電源電圧をΔΣ変調器側の電源電圧に変換できれば良い。たとえば、ブリッジ回路BRの電源電圧が600V系で、ΔΣ変調器側が5V系ならば、分圧比を1/125以下になるように設定する。分圧方法は、抵抗分圧によってもよいし、トランスによって分圧してもよい。トランスで分圧する場合には、電圧検出部DTにアイソレータIS2を設ける必要はなくなる。
DフリップフロップU2は、アイソレータIS2に接続され、半導体スイッチ素子SE1,SE2およびアイソレータIS1,IS2の遅延時間が、上述の積分演算部IOの動作に影響を与えないように、波形を整形する。
DA変換器U3は、DフリップフロップU2の1ビットの出力信号を差動のアナログ信号に変換する。DA変換器U3は、生成した差動のアナログ信号を1対のスイッチ素子S5P,S5Nに出力する。
なお、図3において、一点鎖線11よりも右側が半導体集積回路(IC)の外側になり、一点鎖線11よりも左側が半導体ICの内部になる。一点鎖線12を境界として左右の回路が絶縁されている。
[DC−ACコンバータの動作]
図4は、図3のDC−ACコンバータ1の動作を示すタイミング図である。以下、図3および図4を参照して、図3のDC−ACコンバータ1の動作について説明する。
図4は、図3のDC−ACコンバータ1の動作を示すタイミング図である。以下、図3および図4を参照して、図3のDC−ACコンバータ1の動作について説明する。
図4に示すように、DC−ACコンバータ1は、クロックCK1およびCK2に基づいて動作する。クロックCK1がHレベルの状態とクロックCK2がHレベルの状態とに重なりがないようになっている。
クロックCK1がHレベルのとき、相補スイッチ素子(S2P,S2N),(S4P,S4N),(S6P,S6N)がオン状態になる。図3において、クロックCK1がHレベルのときにオン状態になるスイッチ素子は実線の矩形で囲んでいる。一方、クロックCK2がHレベルのとき、相補スイッチ素子(S1P,S1N),(S3P,S3N),(S5P,S5N)がオン状態になる。図3において、クロックCK2がHレベルのときにオン状態になるスイッチ素子は破線の矩形で囲んでいる。
したがって、積分演算部IOは、クロックCK1の立上がり(t101、t105、t109、t113)から立下がり(t102,t106,t110,t114)までの間で積分を実行する。クロックCK2の立上がり(t103,t107,t111,t115)から立下がり(t104,t108,t112,t116)までは、アナログ入力信号が1対のサンプリングキャパシタCS1P,CS1Nに保持され、フィードバック信号が1対のサンプリングキャパシタCS2P,CS2Nに保持される。
ラッチドコンパレータCP1は、クロックCK1の立下がりエッジ(図3でCK1dと記載する)で動作する。一方、DフリップフロップU2は、クロックCK2の立下がりエッジ(図3でCK2dと記載する)で動作する。したがって、クロックCK1の立下がりエッジからクロックCK2の立下がりエッジまでの期間Tdで、アイソレータIS1、ドライバD1,D2、半導体スイッチ素子SE1,SE2、分圧器X1、およびアイソレータIS2を経由した信号が、DフリップフロップU2に入力され、DフリップフロップU2の内部状態が更新される。DフリップフロップU2の内部状態に応じてフィードバック信号が積分演算部IOに再び入力される。nサイクル目の積分に使われるDフリップフロップの出力値は、1サイクル前の(n−1)サイクル目の出力値である。
コンパレータCP1の出力vd[n−1]とDフリップフロップU2の出力vd[n−1]には期間Tdの時間差があるので、この時間差の範囲内であれば、アイソレータIS1,IS2、ドライバD1,D2、および半導体スイッチ素子SE1,SE2などが遅延しても、DC−ACコンバータ1は問題なく動作する。
以上のとおり、実施の形態1のDC−ACコンバータによれば、従来よりも雑音および高調波歪の少ない出力電圧を生成可能になり、EMIを改善することができる。
<実施の形態2>
[DC−ACコンバータの構成]
図5は、実施の形態2によるDC−ACコンバータの構成を示す回路図である。図5のDC−ACコンバータ2は、いわゆる2次のΔΣ変調を行う。すなわち、積分演算部IOは、入力信号生成部SGからのアナログ入力信号とフィードバック信号との偏差を積分する第1の積分演算部IO1と、第1の積分演算部IO1の出力信号とフィードバック信号との偏差を積分する第2の積分演算部IO2とを含む。第2の積分演算部の出力信号がラッチドコンパレータCP1に入力される。DA変換部CNVは、積分演算部IO1,IO2用にそれぞれフィードバック信号を生成するDA変換器U3,U4を含む。
[DC−ACコンバータの構成]
図5は、実施の形態2によるDC−ACコンバータの構成を示す回路図である。図5のDC−ACコンバータ2は、いわゆる2次のΔΣ変調を行う。すなわち、積分演算部IOは、入力信号生成部SGからのアナログ入力信号とフィードバック信号との偏差を積分する第1の積分演算部IO1と、第1の積分演算部IO1の出力信号とフィードバック信号との偏差を積分する第2の積分演算部IO2とを含む。第2の積分演算部の出力信号がラッチドコンパレータCP1に入力される。DA変換部CNVは、積分演算部IO1,IO2用にそれぞれフィードバック信号を生成するDA変換器U3,U4を含む。
第1の積分演算部IO1の構成は、図3の積分演算部IOの構成と同一であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。第2の積分演算部IO2の構成は第1の積分演算部IO1と同様であるので、以下その構成を簡単に説明する。
第2の積分演算部IO2は、スイッチドキャパシタ回路SC3,SC4、全差動増幅器A2、およびキャパシタCL2P,CL2Nを含む、スイッチドキャパシタ積分器として構成される。スイッチドキャパシタ回路SC3は、4組の相補スイッチ(S7P,S7N)〜(S10P,S10N)と、1対のサンプリングキャパシタCS3P,CS3Nとを含む。
1対の相補スイッチS7P,S7Nは、全差動増幅器A1の差動の出力ノードT5P,T5Nと1対のサンプリングキャパシタCS3P,CS3Nの一方の端子T9P,T9Nとの間にそれぞれ接続される。1対の相補スイッチS8P,S8Nは、端子T9P,T9NとリファレンスノードREFとの間にそれぞれ接続される。1対の相補スイッチS9P,S9Nは、1対のサンプリングキャパシタCS3P,CS3Nの他方の端子T10P,T10NとリファレンスノードREFとの間にそれぞれ接続される。1対の相補スイッチS10P,S10Nは、端子T10P,T10Nと全差動増幅器A2の入力端子T11N,T11Pとの間に接続される。入力端子T11Nが反転入力端子であり、入力端子T11Pが非反転入力端子である。
スイッチドキャパシタ回路SC4は、2組の相補スイッチ(S11P,S11N),(S12P,S12N)と、1対のサンプリングキャパシタCS4P,CS4Nとを含む。
1対の相補スイッチS11P,S11Nは、DA変換器U4の差動の出力ノードT13P,T13Nと1対のサンプリングキャパシタCS4P,CS4Nの一方の端子T14P,T14Nとの間にそれぞれ接続される。1対の相補スイッチS12P,S12Nは、端子T14P,T14NとリファレンスノードREFとの間にそれぞれ接続される。サンプリングキャパシタCS4P,CS4Nの他方の端子は、サンプリングキャパシタCS3P,CS3Nの他方の端子T10N,T10Pに接続される。
キャパシタCL2Pは、全差動増幅器A2の入力端子T11Nと出力端子T12Pとの間に接続され、キャパシタCL2Nは入力端子T11Pと出力端子T12Nとの間に接続される。これによって、全差動増幅器A2は積分器として機能する。
図5のその他の構成は図3の場合と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
[DC−ACコンバータの動作]
図5のDC−ACコンバータの動作は実施の形態1の場合と同様である。すなわち、入力信号生成部SGからのアナログ入力信号は2次のスイッチトキャパシタ積分器(積分演算部IO)で積分される。積分結果は、量子化器としてのラッチドコンパレータCP1で2値化される。量子化器の出力信号は、絶縁ドライバ(駆動回路)DRVを介してブリッジ回路BRを構成する半導体スイッチ素子SE1,SE2のゲートに入力される。ブリッジ回路BRの出力電圧によって負荷が駆動される。
図5のDC−ACコンバータの動作は実施の形態1の場合と同様である。すなわち、入力信号生成部SGからのアナログ入力信号は2次のスイッチトキャパシタ積分器(積分演算部IO)で積分される。積分結果は、量子化器としてのラッチドコンパレータCP1で2値化される。量子化器の出力信号は、絶縁ドライバ(駆動回路)DRVを介してブリッジ回路BRを構成する半導体スイッチ素子SE1,SE2のゲートに入力される。ブリッジ回路BRの出力電圧によって負荷が駆動される。
ブリッジ回路BRの出力電圧は分圧器X1によって分圧される。この分圧電圧はアイソレータISを介してDフリップフロップU2に入力され、DフリップフロップU2で波形整形される。DフリップフロップU2を設けることによって、半導体スイッチ素子SE1,SE2の遅延が、積分演算部IOの動作に影響を与えないようにすることができる。DフリップフロップU2の出力信号は、1ビットのDA変換器U3,U4を介して、スイッチトキャパシタ積分器(積分演算部IO)へ入力される。これによって、半導体スイッチ素子SE1,SE2の出力電圧に比例する信号が入力アナログ信号から減算される。
上記の一連の信号の流れによって、ノイズシェイピング動作が実行される。さらに、2次のΔΣ変調を用いることによって、実施の形態1の場合よりも、ノイズシェイピング能力が向上し、かつ出力波形の周期性も低下し、高調波歪みおよびノイズが低下する。この結果、DC−ACコンバータの出力電圧が高精度化する。以下、図6を参照して、図5のDC−ACコンバータの動作についてさらに説明する。
図6は、図5のDC−ACコンバータ2の動作を示すタイミング図である。図5および図6を参照して、DC−ACコンバータ2は、クロックCK1およびCK2に基づいて動作する。クロックCK1がHレベルの状態とクロックCK2がHレベルの状態とに重なりがないようになっている。
クロックCK1がHレベルのとき、相補スイッチ素子(S2P,S2N),(S4P,S4N),(S6P,S6N),(S7P,S7N),(S9P,S9N),(S11P,S11N)がオン状態になる。図5において、クロックCK1がHレベルのときにオン状態になるスイッチ素子は実線の矩形で囲んでいる。一方、クロックCK2がHレベルのとき、相補スイッチ素子(S1P,S1N),(S3P,S3N),(S5P,S5N),(S8P,S8N),(S10P,S10N),(S12P,S12N)がオン状態になる。図3において、クロックCK2がHレベルのときにオン状態になるスイッチ素子は破線の矩形で囲んでいる。
したがって、第1の積分演算部IO1は、クロックCK1の立上がり(t201、t205、t209、t213)から立下がり(t202,t206,t210,t214)までの間で積分を実行する。クロックCK2の立上がり(t203,t207,t211,t215)から立下がり(t204,t208,t212,t216)までは、アナログ入力信号が1対のサンプリングキャパシタCS1P,CS1Nに保持され、フィードバック信号が1対のサンプリングキャパシタCS2P,CS2Nに保持される。
一方、第2の積分演算部IO2は、クロックCK2の立上がり(t203,t207,t211,t215)から立下がり(t204,t208,t212,t216)までの間で積分を実行する。クロックCK1の立上がり(t201、t205、t209、t213)から立下がり(t202,t206,t210,t214)までは、第1の積分演算部IO1の出力信号が1対のサンプリングキャパシタCS3P,CS3Nに保持され、フィードバック信号が1対のサンプリングキャパシタCS4P,CS4Nに保持される。
ラッチドコンパレータCP1は、クロックCK2の立下がりエッジ(図5でCK2dと記載する)で動作する。一方、DフリップフロップU2は、クロックCK1の立下がりエッジ(図5でCK1dと記載する)で動作する。したがって、クロックCK2の立下がりエッジからクロックCK1の立下がりエッジまでの期間Tdで、アイソレータIS1、ドライバD1,D2、半導体スイッチ素子SE1,SE2、分圧器X1、およびアイソレータIS2を経由した信号が、DフリップフロップU2に入力され、DフリップフロップU2の内部状態が更新される。DフリップフロップU2の内部状態に応じてフィードバック信号が積分演算部IOに再び入力される。
アイソレータIS1,IS2および半導体スイッチ素子SE1,SE2をΔΣ変調のフィードバックループに入れた場合、波形の大幅な遅延および波形の崩れが発生し、フィードバックが間に合わない可能性がある。そこで、コンパレータCP1の動作の開始とDフリップフロップU2の動作の開始との間で、アイソレータIS1,IS2および半導体スイッチ素子SE1,SEを動作させる。すなわち、図6の期間Tdの間に半導体スイッチ素子SE1,SE2がスイッチングを終えるようにする。このためには、クロックCK2の立下がりからクロックCK1の立下がりまでの時間Tdよりも、半導体スイッチ素子SE1,SE2の立上がり時間および立下がり時間の和が短いことが必要である。この結果、半導体スイッチ素子SE1,SE2の動作による遅延および波形の崩れがΔΣ変調器の動作に影響を与えないようにできる。
以下、数式を用いて図5のDC−ACコンバータ2の動作についてさらに説明する。簡単のためにシングルエンド信号で表記している。第1の積分演算部IO1の出力をx1(n)とし、第2の積分演算部IO2の出力をx2(n)とする。入力信号生成部SGからの入力信号をu(n)とし、フィードバック信号をv(n)とする。Qは量子化を行う関数であり、コンパレータCP1で量子化が実行される。コンパレータCP1からは、x2(n)が閾値を超えたら1が出力され、閾値以下の場合は0が出力される。DフリップフロップU2の出力信号としてフィードバック信号v(n)が生成される。係数a1,a2,b1,c1を用いると、以下の関係式が成り立つ。
x1(n+1)=x1(n)+b1・u(n)−a1・v(n) …(1)
x2(n+1)=x2(n)+c1・x1(n)−a2・v(n) …(2)
v(n)=Q(x2(n)) …(3)
上式を参照すると、制御回路10によるΔΣ変調の一連の動作は以下の通りになる。クロックCK1がHレベルの状態で、制御回路10は、DACからの出力v(n)を減算し(微分に相当する)、入力u(n)を加算しつつ、第1のスイッチトキャパシタ積分器の積分動作x1(n+1)を実施する。クロックCK2がHレベルの状態で、制御回路10は、第1のスイッチトキャパシタ積分器の一つ前の状態x1(n)を用いて、第2のスイッチトキャパシタ積分器の積分動作x2(n+1)を実施する。制御回路10は、この第2のスイッチトキャパシタ積分器の値を使って、コンパレータCP1で量子化することによって信号v(n+1)を生成する。量子化した結果は、次の周期に、第1と第2のスイッチトキャパシタ積分器の積分動作に利用される。
x2(n+1)=x2(n)+c1・x1(n)−a2・v(n) …(2)
v(n)=Q(x2(n)) …(3)
上式を参照すると、制御回路10によるΔΣ変調の一連の動作は以下の通りになる。クロックCK1がHレベルの状態で、制御回路10は、DACからの出力v(n)を減算し(微分に相当する)、入力u(n)を加算しつつ、第1のスイッチトキャパシタ積分器の積分動作x1(n+1)を実施する。クロックCK2がHレベルの状態で、制御回路10は、第1のスイッチトキャパシタ積分器の一つ前の状態x1(n)を用いて、第2のスイッチトキャパシタ積分器の積分動作x2(n+1)を実施する。制御回路10は、この第2のスイッチトキャパシタ積分器の値を使って、コンパレータCP1で量子化することによって信号v(n+1)を生成する。量子化した結果は、次の周期に、第1と第2のスイッチトキャパシタ積分器の積分動作に利用される。
係数a1,a2,b1,c1は、MATLABで動作するThe Delta-Sigma Toolboxなどを用いて決定することができる。決定した係数a1,a2,b1,c1をもとに、電源電圧および信号振幅の最大値を用いて、各容量(CSnP,CSnN,CLmP,CLmN、ただし、n=1〜4、m=1,2)の値へスケーリングが行われる。
<実施の形態3>
図7は、実施の形態3によるDC−ACコンバータの構成を示す回路図である。図7のDC−ACコンバータ3は、第1および第2の積分演算部IO1,IO2およびDA変換部CNVの構成が図5のDC−ACコンバータ2と異なる。
図7は、実施の形態3によるDC−ACコンバータの構成を示す回路図である。図7のDC−ACコンバータ3は、第1および第2の積分演算部IO1,IO2およびDA変換部CNVの構成が図5のDC−ACコンバータ2と異なる。
具体的に、積分演算部IO1は、抵抗素子R1p,R1nと、全差動増幅器A1と、積分用のキャパシタCL1P,CL1Nとを含む。積分演算部IO2は、抵抗素子R2p,R2nと、全差動増幅器A2と、積分用のキャパシタCL2P,CL2Nとを含む。DA変換部CNVは、第1および第2の積分演算部IO1,IO2にそれぞれフィードバック信号を出力するための1ビットの電流DA変換器(IDAC)U3,U4を含む。
一対の抵抗素子R1p,R1nは、入力信号生成部SGの差動の出力ノードT1P,T1Nと全差動増幅器A2の差動の入力端子T4N,T4Pとの間にそれぞれ接続される。電流DA変換器U3の差動の出力ノードT7P,T7Nは、全差動増幅器A2の差動の入力端子T4P,T4Nにそれぞれ接続される。キャパシタCL1Pは、全差動増幅器A1の入力端子T4Nと出力端子T5Pとの間に接続され、キャパシタCL1Nは入力端子T4Pと出力端子T5Nとの間に接続される。
同様に、一対の抵抗素子R2p,R2nは、全差動増幅器A2の差動の出力端子T5P,T5Nと全差動増幅器A2の差動の入力端子T11N,T11Pとの間にそれぞれ接続される。電流DA変換器U4の差動の出力ノードT13P,T13Nは、全差動増幅器A2の差動の入力端子T11P,T11Nにそれぞれ接続される。キャパシタCL2Pは、全差動増幅器A2の入力端子T11Nと出力端子T12Pとの間に接続され、キャパシタCL2Nは入力端子T11Pと出力端子T12Nとの間に接続される。
上記の構成によれば、実施の形態1,2のDC−ACコンバータと比較して、時間的に連続な入力信号に対して連続的に動作することが可能になる。図7のその他の構成は図5の場合と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。なお、図7の構成において第2積分演算部IO2を設けない構成も可能である。
<実施の形態4>
図8は、実施の形態4によるDC−ACコンバータの構成を示す回路図である。図8のDC−ACコンバータ4は、第2の積分演算部IO2の構成を図5に示すスイッチドキャパシタ積分器を用いた構成に置換した点で図7のDC−ACコンバータ3と異なる。図8のその他の点は、図5および図7に示すDC−ACコンバータ2,3と同様であるので同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
図8は、実施の形態4によるDC−ACコンバータの構成を示す回路図である。図8のDC−ACコンバータ4は、第2の積分演算部IO2の構成を図5に示すスイッチドキャパシタ積分器を用いた構成に置換した点で図7のDC−ACコンバータ3と異なる。図8のその他の点は、図5および図7に示すDC−ACコンバータ2,3と同様であるので同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
図8の構成によれば、図7の構成に比べて、ノイズシェイピング能力が向上し、かつ出力波形の周期性も低下し、歪みやノイズが低下し、結果としてDC−ACコンバータの出力電圧を高精度化することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。たとえば、上記の実施の形態では、積分演算部への入力信号および出力信号が差動信号の場合について説明したが、シングルエンド信号の場合についても同様である。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1〜4 DC−ACコンバータ、10 制御回路、A1,A2 全差動増幅器、BR ブリッジ回路、CK1,CK2 クロック、CL1P,CL1N,CL2P,CL2N キャパシタ、CNV DA変換部、CP1 ラッチドコンパレータ、D1,D2 ドライバ、DRV 駆動回路(絶縁ドライバ)、DT 電圧検出部、IO,IO1,IO2 積分演算部、IS1,IS2 アイソレータ、SC1〜SC4 スイッチドキャパシタ回路、SE1,SE2 半導体スイッチ素子、SFB フィードバック信号、SG 入力信号生成部、SIN アナログ入力信号、SUB 減算器、TOUT 出力ノード、Td 期間、U1 バッファ、U2 フリップフロップ、U3,U4 DA変換器、X1 分圧器。
Claims (7)
- 直流電源ノードと接地ノードとの間に直列接続された第1および第2の半導体スイッチ素子を含むブリッジ回路と、
前記第1および第2の半導体スイッチ素子のオンおよびオフを制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、
アナログ入力信号とフィードバック信号との差を積分する積分演算部と、
前記積分演算部の出力信号を1ビットのデジタル信号に変換する量子化器と、
前記量子化器の出力信号に基づいて前記第1および第2の半導体スイッチ素子を駆動する駆動回路と、
前記第1および第2の半導体スイッチ素子の接続ノードの電圧変化に応じたデジタル信号を生成するフリップフロップと、
前記フリップフロップの出力をアナログ信号に変換することによって前記フィードバック信号を生成するデジタルアナログ変換部とを含む、直流−交流変換器。 - 前記積分演算部は、
第1のキャパシタおよび複数のスイッチ素子を含む第1のスイッチドキャパシタ回路と、
第2のキャパシタおよび複数のスイッチ素子を含む第2のスイッチドキャパシタ回路と、
入出力端子間に積分用キャパシタが設けられた増幅器とを含み、
前記第1のキャパシタの第1の端子は、第1のスイッチ素子を介して前記アナログ入力信号を受けるともに、第2のスイッチ素子を介して参照電位を受け、
前記第1のキャパシタの第2の端子は、第3のスイッチ素子を介して前記参照電位を受けるともに、第4のスイッチ素子を介して前記増幅器の入力端子に接続され、
前記第2のキャパシタの第1の端子は、第5のスイッチ素子を介して前記フィードバック信号を受けるとともに、第6のスイッチ素子を介して前記参照電位を受け、
前記第2のキャパシタの第2の端子は、前記第1のキャパシタの前記第2の端子に接続される、請求項1に記載の直流−交流変換器。 - 前記積分演算部は、
一端に前記アナログ入力信号を受け、他端に前記フィードバック信号を受ける抵抗素子と、
入出力端子間に積分用キャパシタが設けられた増幅器とを含み、
前記抵抗素子の前記他端は、前記増幅器の入力端子に接続される、請求項1に記載の直流−交流変換器。 - 前記積分演算部は、
前記アナログ信号と前記フィードバック信号との差を積分する第1の積分演算部と、
前記第1の積分演算部の出力信号と前記フィードバック信号との差を積分する第2の積分演算部とを含み、
前記量子化器は、前記第2の積分演算部の出力信号を1ビットのデジタル信号に変換する、請求項1に記載の直流−交流変換器。 - 前記第1の積分演算部は、
第1のキャパシタおよび複数のスイッチ素子を含む第1のスイッチドキャパシタ回路と、
第2のキャパシタおよび複数のスイッチ素子を含む第2のスイッチドキャパシタ回路と、
入出力端子間に第1の積分用キャパシタが設けられた第1の増幅器とを含み、
前記第1のキャパシタの第1の端子は、第1のスイッチ素子を介して前記アナログ入力信号を受けるともに、第2のスイッチ素子を介して参照電位を受け、
前記第1のキャパシタの第2の端子は、第3のスイッチ素子を介して前記参照電位を受けるともに、第4のスイッチ素子を介して前記第1の増幅器の入力端子に接続され、
前記第2のキャパシタの第1の端子は、第5のスイッチ素子を介して前記フィードバック信号を受けるとともに、第6のスイッチ素子を介して前記参照電位を受け、
前記第2のキャパシタの第2の端子は、前記第1のキャパシタの前記第2の端子に接続され、
前記第2の積分演算部は、
第3のキャパシタおよび複数のスイッチ素子を含む第3のスイッチドキャパシタ回路と、
第4のキャパシタおよび複数のスイッチ素子を含む第4のスイッチドキャパシタ回路と、
入出力端子間に第2の積分用キャパシタが設けられた第2の増幅器とを含み、
前記第3のキャパシタの第1の端子は、第7のスイッチ素子を介して前記第1の増幅器の出力信号を受けるともに、第8のスイッチ素子を介して参照電位を受け、
前記第3のキャパシタの第2の端子は、第9のスイッチ素子を介して前記参照電位を受けるともに、第10のスイッチ素子を介して前記第2の増幅器の入力端子に接続され、
前記第4のキャパシタの第1の端子は、第11のスイッチ素子を介して前記フィードバック信号を受けるとともに、第12のスイッチ素子を介して前記参照電位を受け、
前記第4のキャパシタの第2の端子は、前記第3のキャパシタの前記第2の端子に接続される、請求項4に記載の直流−交流変換器。 - 前記第1の積分演算部は、
一端に前記アナログ入力信号を受け、他端に前記フィードバック信号を受ける第1の抵抗素子と、
入出力端子間に第1の積分用キャパシタが設けられた第1の増幅器とを含み、
前記第1の抵抗素子の前記他端は、前記第1の増幅器の入力端子に接続され、
前記第2の積分演算部は、
一端に前記第1の増幅器の出力信号を受け、他端に前記フィードバック信号を受ける第2の抵抗素子と、
入出力端子間に第2の積分用キャパシタが設けられた第2の増幅器とを含み、
前記第2の抵抗素子の前記他端は、前記第2の増幅器の入力端子に接続される、請求項4に記載の直流−交流変換器。 - 前記第1の積分演算部は、
一端に前記アナログ入力信号を受け、他端に前記フィードバック信号を受ける第1の抵抗素子と、
入出力端子間に第1の積分用キャパシタが設けられた第1の増幅器とを含み、
前記第1の抵抗素子の前記他端は、前記第1の増幅器の入力端子に接続され、
前記第2の積分演算部は、
第1のキャパシタおよび複数のスイッチ素子を含む第1のスイッチドキャパシタ回路と、
第2のキャパシタおよび複数のスイッチ素子を含む第2のスイッチドキャパシタ回路と、
入出力端子間に第2の積分用キャパシタが設けられた第2の増幅器とを含み、
前記第1のキャパシタの第1の端子は、第1のスイッチ素子を介して前記第1の増幅器の出力信号を受けるともに、第2のスイッチ素子を介して参照電位を受け、
前記第1のキャパシタの第2の端子は、第3のスイッチ素子を介して前記参照電位を受けるともに、第4のスイッチ素子を介して前記第2の増幅器の入力端子に接続され、
前記第2のキャパシタの第1の端子は、第5のスイッチ素子を介して前記フィードバック信号を受けるとともに、第6のスイッチ素子を介して前記参照電位を受け、
前記第2のキャパシタの第2の端子は、前記第1のキャパシタの前記第2の端子に接続される、請求項4に記載の直流−交流変換器。
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WO2022128714A1 (de) * | 2020-12-17 | 2022-06-23 | Robert Bosch Gmbh | Stromrichter und stromversorgungssystem |
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- 2014-01-10 JP JP2014003193A patent/JP2015133800A/ja active Pending
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