JP4184970B2 - 同期制御発振変調器 - Google Patents

Description

本発明は、パルス幅変調のための比較器と電力増幅段と、安定した発振条件を保証する第１のフィードバック手段や第１のフォワード手段を備えたより高次の発振ループとを備えた自己発振変調器に関する。

また、本発明は、ＤＣ−ＡＣなどのスイッチング電力変換システム（例えば可聴周波数増幅）、ＤＣ−ＤＣまたはＡＣ−ＡＣ変換システム、あるいは変調器を備えた上にあげた任意の組合せに関する。本発明は、任意のシステム、とりわけ高効率可聴周波数増幅などの精密ＤＣ−ＡＣ変換システムにおける電力変換を改善するのに有利に使用することができる。

パルス幅変調器は、あらゆる電力変換システムにおける主要構成要素である。ほとんどのスイッチング電力変換器は、ドメイン（ＤＣまたはＡＣ）間の有効な変換を制御するための手段としてパルス幅変調（ＰＷＭ）に基づいている。

典型的な電力変換器には、ＰＷＭ変調器、スイッチング電力変換段、フィルタ、制御システムが含まれている。米国特許第４７２４３９６号に、従来技術によるこのタイプのシステムについて記載されており、また、Ａｔｔｗｏｏｄ氏によってＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ ＡＥＳ（１９８３年１１月号、８４２−８５３頁）にも記載されているが、ＰＷＭには、当分野でも良く知られている、主として搬送波生成を実現することによる一連の欠点がある。この一連の欠点により、システムの帯域幅が制限され、かつ、設計が複雑になっている。また、安定した頑丈な制御システムの設計が困難である。

ＰＷＭが抱えている一連の欠点を克服すべく、制御発振変調器（ＣＯＭ）が本出願人による国際特許出願ＰＣＴ／ＤＫ９７／００４９７号に導入されている。この国際特許出願で開示されている変調器は、搬送波を生成する必要がなく、前記文書に記載されている一連の利点を有している。

この技法が抱えている問題は、この技法を使用して合成することができるのは標準の２レベル変調のみであり、したがって増幅器の効率の点で欠点があることである。

多重チャネル可聴周波数増幅器などの多重チャネル・システムで生じるもう１つの問題は、発振変調器の発振周波数が変動する可能性があり、そのために相互変調生成物が生成され、可聴周波数帯域幅内にひずみ成分が追加される可能性があることである。米国特許第ＵＳ６，２９７，６９３号に、発振変調器を外部クロックに同期させるための従来技術によるシステムが記載されているが、従来技術によるこのシステムが同期信号として包含することができるのは、のこぎり歯または三角形の信号波形のみであり、ＣＯＭ変調器信号を同期信号として使用する可能性を除去している。また、このシステムができることは、変調器を外部クロックに同期させることのみであり、外部クロック発生器を実装する場合に、システムをより複雑にしている。

それには限定されないが、ＰＳＣＰＷＭシステム（本出願人による国際特許出願ＰＣＴ／ＤＫ９８／００１３３号に記載されているような）などの多重レベル・システムの場合、出力に搬送波の第１高調波が存在しないため、前記ＣＯＭ変調器を使用することはできない。

したがって、本発明の目的は、従来の技法が抱えている基本的な問題を解決する、スイッチング電力変換システムにおける優れた変調技法を提供することである。

上記の目的は、ＣＯＭ変調器に接続された同期手段を有する、上で言及したタイプの新規な同期制御発振変調器（ＳＣＯＭ）によって達成される。

本発明により、性能、位相幾何学の単純化、改良された頑丈性、安定性、さらには効率の点で、従来技術と比較して著しい利点が提供される。

また、本発明により、同期外れのＣＯＭ変調器に関連する従来技術の問題を解決するべく、信号源と単一ＣＯＭ変調器または複数のＣＯＭ変調器と信号源の間の同期化、もしくは複数のＣＯＭ変調器間の同期化が提供される。

ＣＯＭ変調器は、電圧または電流測定手段やフィードバックを備える。

同期手段は、外部源を同期信号として使用することができ、その外部源は、必要条件ではないが、三角形、矩形または正弦波の信号であることが好ましい。

別法としては、変調器は、複数のＣＯＭ変調器を備えており、また、ＣＯＭシステムとＣＯＭシステムの間に同期手段が配置されているため、発振変調信号が同期信号として使用される。この場合のＳＣＯＭの目的は、ＣＯＭ技術の利点と多重レベルＰＷＭの利点を結合させることである。

この実施態様によれば、汎用電力変換システムにおける、多重レベル・パルス変調信号を実現するパルス変調が提供され、それにより出力スイッチング雑音エネルギーが減少し、また、制御システム実装の可能性が大きくなる。

本発明によるＳＣＯＭ変調器は、可聴周波数増幅およびモータあるいは電気力学トランスデューサ駆動アプリケーションのようなあらゆるタイプの精密ＤＣ−ＡＣ変換アプリケーションに極めて適している。

ＳＣＯＭは、例えばオーディオ用電力増幅器のような精密電圧または電流制御ＤＣ−ＡＣ変換に有利に使用することができる。

電力増幅段には出力フィルタを設けることができ、この場合、第２のフィードバック手段を前記出力フィルタの出力部に接続することができるため、フィードバック・パスへのフィードバックに先立って、電圧を最初にフィルタリングすることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。

好ましい実施形態についての以下の詳細説明においては、ＣＯＭ変調器は、いずれも参照により本明細書に組み込まれている、本出願人による国際特許出願ＰＣＴ／ＤＫ９７／００４９７号に記載されている電圧制御発振変調器（図１）であり、あるいは本出願人によるスウェーデン特許出願第０００３３４２−３号に記載されている電流制御発振変調器（図２）である。

図３は、本発明の第１の好ましい実施形態による変調器を備えた電力変換システムを示したものである。このシステムは、電力段２、フィードバック・ブロック３を備えた制御システム、フォワード・ブロック４を備えている。電力段２は、１つまたは複数の半ブリッジ、好ましくは２つの半ブリッジからなる全ブリッジからなる。フィードバック・ブロックとフォワード・ブロックは、発振変調器５を構成している。変調器５内の同期ブロック６には、発振信号発生器ブロックとしても参照されている外部信号源１が接続されている。

変調器５の同期は、変調信号に信号源１からのＯｓｃ信号を加えることによって得られる。同期信号は、変調器のタイプ（電圧をベースとしたフィードバックあるいは電流をベースとしたフィードバック）に応じて電圧信号または電流信号をベースにすることができる。Ｏｓｃ信号には、周波数が必要なアイドル・スイッチング周波数である正弦波信号あるいは他の任意の発振信号を使用することができ、変調器をＯｓｃ信号発生ブロック１のＯｓｃ信号に同期させるために使用される。

図４は、本発明の第２の好ましい実施形態を示したもので、同期ブロック１２からの１つの同期信号によって２つのＣＯＭ変調器１０、１１が同期されている。この場合も、同期信号は、変調器のタイプ（電圧をベースとしたフィードバックあるいは電流をベースとしたフィードバック）に応じて電圧信号または電流信号をベースにすることができる。

この２つのＣＯＭ変調器は、ほとんど同じ周波数で発振するように設計されており、同期手段によってスイッチング周波数の変動を除去することができる。

２つのＣＯＭ変調器１０、１１を使用することにより、３レベル変調器を構築することができる。負荷１４の両側に、それぞれ同期化される独自の２レベルＣＯＭ変調器１０、１１が設けられている。

負荷の両端で搬送波の第１高調波を理想的に除去することができる。入力信号は、差動可聴周波数出力信号の生成を可能にするべく、第２のＣＯＭ１１の前段でインバータ１３によって反転されている。スペクトル特性は、ＮＢＤＤ変調のスペクトル特性と類似している。ＮＢＤＤについては、Ｋａｒｓｔｅｎ Ｎｉｅｌｓｅｎの博士号論文「Ａｕｄｉｏ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｗｉｔｈ ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ」を参照されたい。

前記３レベル変調を有利に使用することにより、ＰＷＭ信号の出力を何らフィルタリングすることなくパルス変調トランスデューサを直接駆動することができるため、２レベル変調と比較してトランスデューサの渦電流損を小さくすることができる。

図５は、図３、４に示す同期手段の実際の例を示したものである。同期手段は、抵抗ＲＯＳＣおよびコンデンサＣＯＳＣからなる並列回路の両端にそれぞれ接続された２つの直列抵抗ＲＡ、ＲＢ回路として実現されている。

この回路網を使用することにより、ＣＯＭ変調器に微小振幅信号が追加され、その追加された微小振幅信号周波数でＣＯＭ変調器の発振が強制される。したがって、周波数が、必要なアイドル周波数の微小振幅信号を個々の変調器に追加することにより、１つまたは複数のＣＯＭ変調器を同期させることができる。

抵抗との値は、熟練者によって、いずれかの変調器に負の影響を及ぼすべく、良好な同期を有する場合と良好な同期を有さない場合との間のかね合いで決定することができる。

図６は、本発明の好ましい他の実施形態を示したもので、ＣＯＭ変調器の同期を得るためのアクティブ同期システムが示されている。アクティブ同期ブロック１５は、１つまたは複数のアクティブ高域フィルタからなっている。

図７は、２つのアクティブ高域フィルタ１６、１７として実施された、図６に示すアクティブ同期ブロック１５の例を示したものである。一方の高域フィルタ１６は、ノード１８の第１の高域フィルタされたＣＯＭ変調器信号をノード１９の第２のＣＯＭ変調器信号に加算し、それにより第２のＣＯＭ変調器を第１のＣＯＭ変調器に同期させている。もう一方の高域フィルタ１７が、同様にノード１９の高域フィルタされたの第２の変調器信号をノード１８の第１の変調器信号に加算する場合に最適同期を得ることができる。

図８は、本発明に従って同期化される２つのＣＯＭ変調器を備えた電力変換システムを示したものである。フォワード・パスに２つの遅れブロックＢ１、Ｂ２が挿入され、低周波数におけるより大きいループ利得に寄与している。このシステムには高電力フィルタリングが全く適用されていないが、電気力学トランスデューサであることが好ましい負荷が誘導負荷として作用し、ＰＷＭ信号をある程度フィルタリングしている。したがって出力フィルタを除去することができ、効率を高めることができる。電力段２０、２１の各々は、１つまたは複数の半ブリッジを備えることができ、単一半ブリッジを備えていることが好ましい。

図９は、図８に示すシステムのオープン・ループ利得を示したものである。このシステムは、スイッチング周波数が約３２５ｋＨｚに設計されている。３２５ｋＨｚにおけるオープン・ループ利得は０ｄＢであり、また、この周波数における位相は−１８０度であるため、制御発振が得られる。図８に示すシステムは、３２５ｋＨｚ帯域幅内の雑音とひずみを抑制することができる。

システムの出力は、ＮＢＤＤ変調の高周波数スペクトル特性に類似した高周波数スペクトル特性の差動３レベルＰＷＭ信号であり、差動２レベルＰＷＭ出力信号を備えた変調トポロジーと比較すると、より効率的な変調が得られる。

図８に示すシステムの変調器が完全に同期すると、アイドルにおける差動出力の大きさがゼロになる。これは、アイドルにおける負荷の一方の端子２２の信号と負荷のもう一方の端子２３の信号が等しくなり、大きさがゼロの差動信号が得られることによるものである。

同期回路網は、Ｒ、ＣまたはＲＣ回路によって構成されているため、図５に示す同期手段によって同期を得ることができる。このＲ、ＣまたはＲＣ回路は、フォワード・パスの比較器に接続されている。また、能動回路網は、高域アクティブ・フィルタ回路網によって構成されているため、図６、７に示す同期手段によっても同期を得ることができる。

また、入力信号ノード２４における入力信号の振幅を制限することによって変調度を制御することができるため、よりリプルの小さい電流を達成することができる。

図１０は、ＰＳＣＰＷＭ変調器構造とＮ、Ｍが整数であるＭＥＣＣ（Ｎ、Ｍ）制御システムを備えた多重レベルＰＷＭで実現された本発明によるＳＣＯＭを示したものである。ＭＥＣＣ（Ｎ、Ｍ）については、参照により本明細書に組み込まれている、本出願人による国際特許出願ＰＣＴ／ＤＫ９７／００４９７号に記載されている。このシステムは、１つまたは複数のフィードバック・パスと出力ＰＷＭ信号の低域フィルタ２５、２６を備えている。ＰＳＣＰＷＭ変調器を備えたＳＣＯＭシステムの場合、好ましくは出力に高周波コモン・モード成分のない多重レベル（３レベル以上）変調器を得ることができる。電力段２７、２８の各々は、１つまたは複数の半ブリッジを備えている。電力段２７、２８の各々が２つの半ブリッジからなる全ブリッジ構造を備えている場合、出力に高周波コモン・モード成分のない多重レベル（３レベル以上）変調器を得ることができる。

図１１では、追加同期信号によってＮ個（Ｎは整数）のＳＣＯＭ変調器が同期化されている。この同期信号には任意の信号波形を使用することができるが、周波数が、所望のアイドル・スイッチング周波数の三角形、矩形または正弦波の信号であることが好ましい。同期手段には、上で説明した同期手段のうちの任意の同期手段を使用することができる。

図１２では、共通のＣＯＭ信号によってＮ個（Ｎは整数）のＣＯＭ変調器が同期化されている。この共通のＣＯＭ同期信号には、周波数が、所望のアイドル・スイッチング周波数の任意の信号波形を使用することができる。同期手段には、上で説明した同期手段のうちの任意の同期手段を使用することができる。

ＳＣＯＭ変調器は、任意のＡＣ−ＡＣ、ＤＣ−ＤＣ、ＡＣ−ＤＣまたはＤＣ−ＡＣ電力変換システム、特に、電力段のエレメントが「オン」状態または「オフ」状態のいずれかで動作する超精密ＤＣ−ＡＣ可聴周波数電力変換システムに実装することができる。

電圧フィードバックに基づく従来技術による制御発振変調器を示す図である。 電流フィードバックを備えた従来技術による制御発振変調システムを示す図である。 本発明の第１の実施形態による変調器のブロック図である。 本発明の第２の実施形態による３レベル変調器のブロック図である。 図３および４に示す同期手段のハードウェア実施態様を示す図である。 ＣＯＭ変調器のアクティブ同期のための本発明の他の実施形態を示す図である。 図６に示すアクティブ同期の実施形態を示す図である。 本発明に従って同期化される２つのＣＯＭ変調器を備えた電力変換システムを示す図である。 図８に示すシステムのオープン・ループ利得を示すグラフである。 ＰＳＣＰＷＭ変調器構造における本発明による同期化の実施態様を示す図である。 追加同期信号によって同期化されるＮ個（Ｎは整数）の複数のＣＯＭ変調器を示す図である。 共通のＣＯＭ信号によって同期化されるＮ個（Ｎは整数）の複数のＣＯＭ変調器を示す図である。

Claims (5)

1. 同期制御発振変調器（ＳＣＯＭ）であって、
   入力信号 (Vi) およびその反転入力信号 (-Vi) にそれぞれ応動する第１および第２の制御発振変調器（ＣＯＭ） (10, 11) を備え、これらの制御発振変調器 (10, 11) それぞれには、フィードバック・ブロック (3) 及びフォワード・ブロック (4) を含む発振ループと、電力段 (2) とがあり、
   前記第１および第２の制御発振変調器 (10, 11) それぞれのフォワード・パスの相互間に接続された同期手段 (12) にして、前記第１および第２の制御発振変調器 (10, 11) を相互に同期させる同期手段 (12) を備える
   ことを特徴とする、同期制御発振変調器。
2. 請求項１記載の同期制御発振変調器において、前記同期手段が、Ｒ、ＲＣまたはＣコンポーネントからなる回路である、ことを特徴とする、同期制御発振変調器。
3. 請求項２記載の同期制御発振変調器において、
   前記同期手段が、第１および第２の直列抵抗(R_A, R_B)と、並列抵抗(R_OSC)と、並列コンデンサ(C_OSC)とを備え、
   前記第１の直列抵抗が前記並列コンデンサと並列抵抗の第１の端部に接続され、前記第２の直列抵抗が前記並列コンデンサと並列抵抗の第２の端部に接続され、
   前記第１および第２の直列抵抗が、前記第１および第２の制御発振変調器(10, 11)それぞれにおける前記電力段から前記フォワード・ブロックまでのフォワード・パス中に、それぞれ挿入されている
   ことを特徴とする、同期制御発振変調器。
4. 請求項１記載の同期制御発振変調器において、前記同期手段(15)が能動回路を有することを特徴とする、同期制御発振変調器。
5. 請求項４記載の同期制御発振変調器において、前記能動回路が少なくとも１つの高域フィルタを有することを特徴とする、同期制御発振変調器。