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

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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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