JP4757631B2 - 可変周波数増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、容量性の負荷に高周波電力を供給する可変周波数増幅器に関するものである。

負荷に高周波電力を供給するための増幅器として、例えば、Ｄ級インバータのように、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子をスイッチ素子として用い、正弦波信号発生部５７から出力する高周波信号を増幅して出力するタイプの増幅器がある。

図４は、従来の増幅器５０の概略構成図である。
図４に示すように、従来の増幅器５０は、直流電源部１１、正弦波信号発生部５７、信号変換部５８、スイッチ部１２、トランス１５、共振部３０、電圧検出部１３、電流検出部１４、位相差検出部５９、および周波数制御部６０から構成されており、増幅器５０の出力を負荷２に供給するようになっている。

直流電源部１１は、直流電圧をスイッチ部１２に供給するためのものである。

正弦波信号発生部５７は、可変周波数で正弦波状の交流信号を出力するものであり、例えば、数百ｋＨｚ以上の周波数の交流信号を出力する。

信号変換部５８は、正弦波信号発生部５７から出力する信号を正方向の信号と負方向の信号に分け、それぞれに対して正方向の矩形波状の信号に変換し、正方向の信号に対応する第１スイッチ信号Ｖ１および負方向の信号に対応する第２スイッチ信号Ｖ２として出力するものである。すなわち、正弦波信号発生部５７から出力する信号をスイッチングに適した信号に変換することができる。

スイッチ部１２は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子をスイッチ素子として用い、信号変換部５８から出力するスイッチ信号に基づいて、スイッチ素子をスイッチングさせることによって、直流電源部１１から供給される直流電圧を矩形波状の信号として出力するものである。さらに詳細には、スイッチ部１２は、信号変換部５８から出力された第１スイッチ信号Ｖ１によってスイッチングする少なくとも１つのスイッチ素子と、第２スイッチ信号Ｖ２によってスイッチングする少なくとも１つのスイッチ素子とを有し、第１スイッチ信号Ｖ１および第２スイッチ信号Ｖ２に基づいて、これらのスイッチ素子を交互にスイッチングさせ、直流電源部１１から出力する直流電圧を矩形波状の交流電圧に変換して出力するものである。

トランス１５は、負荷との絶縁およびインピーダンス変換を行うものである。

共振部３０は、インダクタ３１とコンデンサ３２とからなる共振回路であり、スイッチ部１２から出力された矩形波状の信号を正弦波状の信号に変換するためのものである。

また、このような増幅器においては、スイッチング損失を低減させるために、スイッチ部１２の出力電圧と、スイッチ部１２とトランス１５との間に流れる電流との位相差を可能な限り小さくさせる必要がある。そのために、図４に示すように、電圧検出部１３で検出した電圧と電流検出部１４（例えばカレントトランス）で検出した電流との位相差を位相差検出部５９で検出し、検出した位相差が可能な限り小さくなるように、周波数制御部６０によって正弦波信号発生部５７から出力する周波数を制御している。

特開２００３−１４３８６１号公報

機器を小型化するために、少しでも部品数を削減したいという要望が強い。しかしながら、上述した従来の構成の機能は必須であるので、単純には部品数を削減できないという課題があった。

第１の発明によって提供される可変周波数増幅器は、
容量性の負荷に高周波電力を供給する可変周波数増幅器において、
直流電圧供給手段と、
可変周波数で正弦波状の交流信号を出力する正弦波信号発生手段と、
前記正弦波信号発生手段から出力する信号を正方向の信号と負方向の信号に分け、それぞれに対して正方向の矩形波状の信号に変換し、前記正方向の信号に対応する第１スイッチ信号および前記負方向の信号に対応する第２スイッチ信号として出力する信号変換手段と、
前記信号変換手段から出力された第１スイッチ信号によってスイッチングする少なくとも１つのスイッチ素子と、第２スイッチ信号によってスイッチングする少なくとも１つのスイッチ素子とを有し、第１スイッチ信号および第２スイッチ信号に基づいて、これらのスイッチ素子を交互にスイッチングさせ、前記直流電圧供給手段から出力する直流電圧を矩形波状の交流電圧に変換して出力するスイッチ手段と、
前記スイッチ手段の後段に接続されたトランスと、
前記トランスと前記負荷との間に設けられた第１のインダクタと、
前記スイッチ手段と前記トランスとの間に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記正弦波信号発生手段の出力信号および前記電流検出手段によって検出した電流を入力とし、前記正弦波信号発生手段の出力信号に対する前記電流検出手段によって検出した電流の位相差を求めて出力する位相差検出手段と、
前記位相差検出手段から出力された位相差が、所定の位相差になるように、前記正弦波信号発生手段から出力する交流信号の周波数を制御する周波数制御手段と、
を備えている。

第２の発明によって提供される可変周波数増幅器は、前記正弦波信号発生手段が、ＤＤＳ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ）である。

第３の発明によって提供される可変周波数増幅器は、前記スイッチ手段と前記トランスとの間に第２のインダクタを、さらに備えている。

第１の発明によれば、スイッチ手段の出力電圧の代わりに、この電圧と同じ周波数の正弦波信号発生手段の出力信号を用いているので、電圧の検出手段が必要ない。したがって、電圧波形を検出することなく、電圧と電流との位相差を最適に制御可能となり、高効率（スイッチング損失が小さい）の増幅器を実現することができる。

また、正弦波信号発生手段の出力信号は、本発明の高周波電源装置における基準の周波数信号であるので、基準の周波数信号に対する位相差を容易に求めることができる。

また、負荷が放電を伴う負荷である場合、通常は、容量性の電気的特性になるという特性がある。すなわち、等価回路として表すとコンデンサとしての成分を含んでいるということである。従来は、共振部としてインダクタおよびコンデンサを用いていたが、この現象に着目して、インダクタのみを用いて共振回路を構成するようにした。その結果、従来は必要であったコンデンサを不要にすることができ、部品数の削減が可能となった。

なお、負荷の特性によって、最適なインダクタンスが異なるが、トランスよりも後段の出力端側に第１のインダクタを設けているので、第１のインダクタを交換し易い。そのため、特性が異なる負荷への対応も容易にできる。

また、負荷のインピーダンスが変動しても、周波数制御手段によって、正弦波信号発生手段の出力周波数を瞬時に変更して、効率よく負荷に高周波電力を供給することができる。

第２の発明によれば、ディジタル制御によって、可変範囲内で任意の周波数を出力することができるので、制御が容易になる。

第３の発明によれば、
トランス１５が理想的でないときの電流波形の改善が行える。また、実質的に共振回路を構成する第１のインダクタの一部分を分けておきたい場合に有効である。

以下、本発明の詳細を図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態にかかる増幅器１ａの概略構成図である。
図１に示すように、増幅器１ａは、直流電源部１１、正弦波信号発生部１７、信号変換部１８、スイッチ部１２、トランス１５、第１インダクタ１６、電流検出部１４、位相差検出部１９、周波数制御部２０から構成されており、増幅器１ａの出力を負荷２に供給するようになっている。
なお、直流電源部１１は、本発明の直流電圧供給手段の一例であり、正弦波信号発生部１７は、本発明の正弦波信号発生手段の一例であり、信号変換部１８は、本発明の信号変換手段の一例であり、スイッチ部１２は、本発明のスイッチ手段の一例であり、トランス１５は、本発明のトランスの一例であり、第１インダクタ１６は、本発明の第１のインダクタの一例であり、電流検出部１４は、本発明の電流検出手段の一例であり、位相差検出部１９は、本発明の位相差検出手段の一例であり、周波数制御部２０は、本発明の周波数制御手段の一例である。

図１において、直流電源部１１、スイッチ部１２、トランス１５、および電流検出部１４は、図４に示したものと同様なので、説明を省略する。

正弦波信号発生部１７は、可変周波数で正弦波状の交流信号を出力するものであり、本発明では、正弦波信号発生部１７は、ＤＤＳ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ）と呼ばれるものを用いている。このＤＤＳは、ディジタル制御によって、可変範囲内で任意の周波数の信号を出力することができるものである。よって、制御が容易であるという利点がある。

信号変換部１８は、正弦波信号発生部１７から出力する信号を正方向の信号と負方向の信号に分け、それぞれに対して正方向の矩形波状の信号に変換し、正方向の信号に対応する第１スイッチ信号Ｖ１および負方向の信号に対応する第２スイッチ信号Ｖ２として出力するものである。すなわち、正弦波信号発生部１７から出力する信号をスイッチングに適した信号に変換することができる。

位相差検出部１９は、正弦波信号発生部１７の出力信号および電流検出部１４によって検出した電流を入力とし、正弦波信号発生部１７の出力信号に対する電流検出部１４によって検出した電流の位相差を求めて出力するものである。

周波数制御部２０は、位相差検出部１９から出力された位相差が、所定の位相差になるように、正弦波信号発生部１７から出力する信号の周波数を制御するものであり、上記のＤＤＳに対応したものである。

なお、負荷５は、放電を伴う負荷である。このような放電を伴う負荷の場合、通常は、容量性の電気的特性になるという特性がある。すなわち、等価回路として表すとコンデンサとしての成分を含んでいるということである。

したがって、従来は、共振部としてインダクタとコンデンサの両方を用いていたが、この現象に着目して、インダクタのみを用いて共振回路を構成するようにした。その結果、従来は必要であったコンデンサを不要にすることができ、部品数の削減が可能となった。

図２は、直流電源部１１およびスイッチ部１２の回路構成例である。なお、図１に示した電流検出部１４、トランス１５等の図示は省略している。
この図２において、直流電源部１１の出力電圧は、直流電圧Ｖｄｃで表している。また、スイッチ部１２は、第１スイッチ素子Ｓ１〜第４スイッチ素子Ｓ４、および第１スイッチ素子Ｓ１〜第４スイッチ素子Ｓ４にそれぞれ並列に接続されたダイオードＤ１〜Ｄ４によって構成されている。

また、第１スイッチ素子Ｓ１〜第４スイッチ素子Ｓ４は、信号変換部１８から出力される第１スイッチ信号Ｖ１および第２スイッチ信号Ｖ２によってスイッチングされる。図２では、各スイッチ素子の横に図示した右向き矢印を信号変換部１８から出力された信号として表している。このようなスイッチ部１２は、公知であるため、その動作説明は省略する。なお、スイッチ素子としてＭＯＳＦＥＴを用いる場合は、スイッチ素子に並列に接続されたダイオードをＭＯＳＦＥＴのボディダイオードで代用することができる。

次に動作を説明する。
正弦波信号発生部１７から正弦波状の交流信号が出力されると、信号変換部１８においてスイッチングに適した信号に変換されて出力される。スイッチ部１２では、この信号に基づいてスイッチ素子をスイッチングさせ、直流電源部１１から出力する直流電圧を矩形波状の交流電圧に変換して出力する。

電流検出部１４では、スイッチ部１２とトランス１５との間に流れる電流Ｉｉｎｖを検出する。そして、位相差検出部１９では、正弦波信号発生部１７の出力信号および電流検出部１４によって検出した電流を入力とし、正弦波信号発生部１７の出力信号に対する電流検出部１４によって検出した電流の位相差を求めて出力する。周波数制御部２０では、この位相差に基づいて正弦波信号発生部１７から出力する信号の周波数を制御する。

すなわち、従来のようにスイッチ部１２の出力電圧Ｖｉｎｖを検出するのではなく、スイッチ部１２の出力電圧の代わりに、この出力電圧Ｖｉｎｖと同じ周波数の正弦波信号発生手段の出力信号を用いているところに特徴がある。また、このようにすることで、従来のような電圧検出部１３を必要としない。したがって、電圧波形を検出することなく、電圧と電流との位相差を最適に制御可能となり、高効率の増幅器を実現することができる。

また、正弦波信号発生手段の出力信号は、本発明の高周波電源装置における基準の周波数信号であるので、基準の周波数信号に対する位相差を容易に求めることができる。

なお、電流位相が電圧位相に対して進み位相になると、望ましくない動作になるために、実用上は電流位相を電圧位相に対して、少し遅れぎみに設定するのが望ましい。また、周波数制御部２０において、正弦波信号発生部１７から出力する信号の周波数を制御する際には、スイッチ部１２、電流検出部１４、信号処理等で発生する遅延時間を考慮すればよい。

［第２実施形態］
図３は、本発明の第２実施形態にかかる増幅器１ｂの概略構成図である。
図３に示す増幅器１ｂは、図１に示した増幅器１ａに、図示するようにスイッチ部１２とトランス１５との間に第２インダクタ２１を、さらに備えた構成となっている。なお、第２インダクタ２１は、本発明の第２のインダクタの一例である。

この第２インダクタは、トランス１５が理想的でないときの電流波形の改善を行う場合に用いる。また、実質的に共振回路を構成する第１のインダクタの一部分を分けておきたい場合に用いられる。

その他の構成については、第１実施形態で説明したものと同様なので説明を省略する。

もちろん、この発明の範囲は上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施の形態では、増幅部を構成する回路として、フルブリッジ方式の増幅回路例を示したが、ハーフブリッジ方式の増幅回路等にも適用できる。

図１は、本発明の第１実施形態にかかる増幅器１ａの概略構成図である。 図２は、直流電源部１１およびスイッチ部１２の回路構成例である。 図３は、本発明の第２実施形態にかかる増幅器１ｂの概略構成図である。 図４は、従来の増幅器５０の概略構成図である。

符号の説明

１ａ 本発明の第１実施形態にかかる増幅器
１ｂ 本発明の第２実施形態にかかる増幅器
２ 負荷
１１ 直流電源部
１２ スイッチ部
１４ 電流検出部
１５ トランス
１６ 第１インダクタ
１７ 正弦波信号発生部
１８ 信号変換部
１９ 位相差検出部
２０ 周波数制御部
２１ 第２インダクタ

Claims (3)

1. 容量性の負荷に高周波電力を供給する可変周波数増幅器において、
   直流電圧供給手段と、
   可変周波数で正弦波状の交流信号を出力する正弦波信号発生手段と、
   前記正弦波信号発生手段から出力する信号を正方向の信号と負方向の信号に分け、それぞれに対して正方向の矩形波状の信号に変換し、前記正方向の信号に対応する第１スイッチ信号および前記負方向の信号に対応する第２スイッチ信号として出力する信号変換手段と、
   前記信号変換手段から出力された第１スイッチ信号によってスイッチングする少なくとも１つのスイッチ素子と、第２スイッチ信号によってスイッチングする少なくとも１つのスイッチ素子とを有し、第１スイッチ信号および第２スイッチ信号に基づいて、これらのスイッチ素子を交互にスイッチングさせ、前記直流電圧供給手段から出力する直流電圧を矩形波状の交流電圧に変換して出力するスイッチ手段と、
   前記スイッチ手段の後段に接続されたトランスと、
   前記トランスと前記負荷との間に設けられた第１のインダクタと、
   前記スイッチ手段と前記トランスとの間に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記正弦波信号発生手段の出力信号および前記電流検出手段によって検出した電流を入力とし、前記正弦波信号発生手段の出力信号に対する前記電流検出手段によって検出した電流の位相差を求めて出力する位相差検出手段と、
   前記位相差検出手段から出力された位相差が、所定の位相差になるように、前記正弦波信号発生手段から出力する交流信号の周波数を制御する周波数制御手段と、
   を備えた可変周波数増幅器。
2. 前記正弦波信号発生手段は、ＤＤＳ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ）である請求項１に記載の可変周波数増幅器。
3. 前記スイッチ手段と前記トランスとの間に第２のインダクタを、さらに備えた請求項１または２に記載の可変周波数増幅器。
   
   

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