JP6829879B2 - Linear amplifier and power converter - Google Patents

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本発明は、入力信号を線形増幅して出力端から出力する線形増幅器、及び直流電源の電圧を入力信号に応じて交流電圧又は直流電圧に変換する電力変換装置に関する。 The present invention relates to a linear amplifier that linearly amplifies an input signal and outputs it from an output end, and a power conversion device that converts a voltage of a DC power supply into an AC voltage or a DC voltage according to the input signal.

半導体パワーデバイスを用いて電圧、電流、周波数、直流交流等を変換するパワーエレクトロニクスの技術分野において、半導体パワーデバイスのスイッチング動作を用いた電力変換が知られている。このスイッチングを用いた電力変換は、例えば変換効率が95%の高効率が得られる一方、出力電圧波形がパルス状になり、電磁ノイズや高調波が発生するという課題がある。 In the technical field of power electronics that converts voltage, current, frequency, DC AC, etc. using a semiconductor power device, power conversion using a switching operation of a semiconductor power device is known. Power conversion using this switching has a problem that, for example, a high efficiency of 95% conversion efficiency can be obtained, but the output voltage waveform becomes pulsed, and electromagnetic noise and harmonics are generated.

スイッチング動作による電力変換に対して、例えばB級アンプ等の線形動作によって任意の電圧波形を出力する線形増幅回路が知られている。線形増幅回路の増幅は線形動作によるため、出力電圧波形を任意の線形波形とすることができるが、半導体パワーデバイスの素子で発生する損失が大きく、理論効率が78.5%に止まり、変換効率が低いという課題がある。 A linear amplifier circuit that outputs an arbitrary voltage waveform by a linear operation such as a class B amplifier is known for power conversion by a switching operation. Since the amplification of the linear amplifier circuit is based on linear operation, the output voltage waveform can be any linear waveform, but the loss generated in the element of the semiconductor power device is large, the theoretical efficiency is only 78.5%, and the conversion efficiency is high. There is a problem that is low.

線形増幅回路の変換効率を向上させるものとしてダイオードクランプ形線形増幅回路(DCLA:Diode Clamped Linear Amplifier)が提案されている。このダイオードクランプ形線形増幅回路は、基本的には上記したB級アンプ等の線形増幅回路と同様に動作するが、半導体パワーデバイスを多直列に用いることにより、素子一つ当たりに印加される電圧を低下させることによって効率を向上させている。 A diode clamp type linear amplifier circuit (DCLA) has been proposed as a device for improving the conversion efficiency of the linear amplifier circuit. This diode clamp type linear amplifier circuit basically operates in the same manner as the linear amplifier circuit such as the class B amplifier described above, but by using multiple semiconductor power devices in series, the voltage applied to each element is applied. Efficiency is improved by reducing.

ダイオードクランプ形線形増幅回路は、多直列した半導体パワーデバイスの素子の内、一部の素子のみを線形領域で使用し、他の素子については飽和領域でスイッチング動作させることによって電力損失を低減させる。この構成では、素子の直列数を増やすほど、電力損失をより低減させることができる(例えば、特許文献1、非特許文献1)。 The diode clamp type linear amplifier circuit reduces power loss by using only some of the elements of the semiconductor power device in series in the linear region and switching the other elements in the saturation region. In this configuration, as the number of devices in series is increased, the power loss can be further reduced (for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).

図21はダイオードクランプ形線形増幅回路の一構成例を示している。図21において、ダイオードクランプ形線形増幅回路101は、複数の半導体パワーデバイス(Q1〜Q4、Q5〜Q8)が直列接続された直列回路102と、各半導体パワーデバイス(Q1〜Q4、Q5〜Q8)に接続された複数のダイオードクランプ回路103とを備える。 FIG. 21 shows a configuration example of a diode clamp type linear amplifier circuit. In FIG. 21, the diode clamp type linear amplifier circuit 101 is a series circuit 102 in which a plurality of semiconductor power devices (Q1 to Q4, Q5 to Q8) are connected in series, and each semiconductor power device (Q1 to Q4, Q5 to Q8). A plurality of diode clamp circuits 103 connected to the above are provided.

直列回路102には直流電源111によって直流電圧が印加されると共に、各半導体パワーデバイス(Q1〜Q4、Q5〜Q8)には各ダイオードクランプ回路103によって段階的な電圧が印加される。各半導体パワーデバイス(Q1〜Q4、Q5〜Q8)は、各ダイオードクランプ回路103が印加する電圧に応じて定められた各線形領域で入力信号を線形増幅し、出力電流を負荷112に出力する。 A DC voltage is applied to the series circuit 102 by the DC power supply 111, and a stepwise voltage is applied to each semiconductor power device (Q1 to Q4, Q5 to Q8) by each diode clamp circuit 103. Each semiconductor power device (Q1 to Q4, Q5 to Q8) linearly amplifies the input signal in each linear region defined according to the voltage applied by each diode clamp circuit 103, and outputs the output current to the load 112.

国際公開WO2012/066839International release WO2012 / 066839

「ダイオードクランプ回路を用いた高効率線形増幅回路」 IEEJ Trans.IA,Vol.127,No.1,2007,p9-16"High-efficiency linear amplifier circuit using diode clamp circuit" IEEJ Trans.IA, Vol.127, No.1, 2007, p9-16

ダイオードクランプ形線形増幅回路は線形動作を行うため、出力電圧波形を任意の波形に形成することができる他、半導体パワーデバイスの素子の直列数を増やすことにより高効率化を図ることができる。一方、出力電流がクランプダイオードを流れることによって、このクランプダイオードで電力損失が発生する。そのため、線形動作で発生する電力損失以外のクランプダイオードで発生する電力損失によって効率向上に限界がある。 Since the diode clamp type linear amplifier circuit performs linear operation, the output voltage waveform can be formed into an arbitrary waveform, and high efficiency can be achieved by increasing the number of elements in series of the semiconductor power device. On the other hand, when the output current flows through the clamp diode, power loss occurs in this clamp diode. Therefore, there is a limit to the efficiency improvement due to the power loss generated in the clamp diode other than the power loss generated in the linear operation.

図22はクランプダイオードで発生する電力損失を説明するための図である。図22(a)はダイオードクランプ形線形増幅回路の出力電圧例を示し、図22(b)はダイオードクランプ形線形増幅回路の電圧状態を説明するための図である。なお、図22(b)では直流電源の電源電圧Eにおいて、正極側の印加電圧をE/2とし、負極側の印加電圧を−E/2としている。 FIG. 22 is a diagram for explaining the power loss generated in the clamp diode. FIG. 22A shows an example of the output voltage of the diode clamp type linear amplifier circuit, and FIG. 22B is a diagram for explaining the voltage state of the diode clamp type linear amplifier circuit. In FIG. 22B, in the power supply voltage E of the DC power supply, the applied voltage on the positive electrode side is E / 2, and the applied voltage on the negative electrode side is −E / 2.

図22(b)において、半導体パワーデバイスの各素子には印加電圧E/2からダイオードによる電圧降下分を差し引いた電圧が印加されるため、出力電圧に用いられる電圧は印加電圧E/2よりも低い電圧となる。そのため、ダイオードによる電圧降下分は電力損失となる。 In FIG. 22B, since a voltage obtained by subtracting the voltage drop due to the diode from the applied voltage E / 2 is applied to each element of the semiconductor power device, the voltage used for the output voltage is larger than the applied voltage E / 2. It becomes a low voltage. Therefore, the voltage drop due to the diode causes a power loss.

したがって、従来提案されているダイオードクランプ形線形増幅回路(DCLA)は、クランプダイオードを用いて動作するため、その損失が大きく、効率向上に限界があるという課題がある。 Therefore, since the diode clamp type linear amplifier circuit (DCLA) conventionally proposed operates by using the clamp diode, there is a problem that the loss is large and the efficiency improvement is limited.

また、各半導体パワーデバイスの素子のソース端には、クランプダイオードを介して素子毎に異なる直流電圧を印加するため複数の直流電圧が必要となる。そのため、半導体パワーデバイスの素子の直列数に応じた個数の直流電圧が求められるため、直流電源の構成が複雑となる課題がある他、任意の電圧を出力するためにとり得る動作モードが1つのみであるため、ゲート制御の拡張性が乏しいという課題がある。 Further, a plurality of DC voltages are required at the source end of the element of each semiconductor power device because a different DC voltage is applied to each element via the clamp diode. Therefore, since the number of DC voltages corresponding to the number of elements in series of the semiconductor power device is required, there is a problem that the configuration of the DC power supply becomes complicated, and there is only one operation mode that can be taken to output an arbitrary voltage. Therefore, there is a problem that the expandability of the gate control is poor.

本発明は、入力信号を線形増幅して出力端から出力する線形増幅器の態様、及び線形増幅器を備える、直流を交流又は直流に電力変換する電力変換装置の態様を含む。 The present invention includes a mode of a linear amplifier that linearly amplifies an input signal and outputs it from an output end, and a mode of a power conversion device that converts direct current into alternating current or direct current, including a linear amplifier.

(線形増幅器の態様)
本発明の線形増幅器は、直列回路を構成する複数の半導体パワーデバイスの各素子の基準電圧を設定する構成として、ダイオードクランプ形線形増幅回路(DCLA)が備えるクランプダイオードに代えてフライングキャパシタを用いた構成である。
(Aspect of linear amplifier)
In the linear amplifier of the present invention, a flying capacitor is used instead of the clamp diode provided in the diode clamp type linear amplifier circuit (DCLA) as a configuration for setting the reference voltage of each element of a plurality of semiconductor power devices constituting the series circuit. It is a configuration.

本発明のフライングキャパシタを備えた線形増幅器(FCLA:Flying-Capacitor Linear Amplifier)は、直列回路を構成する複数の半導体パワーデバイスの各素子に対する基準電圧の設定をフライングキャパシタの充電電圧で行うことによって、ダイオードクランプ形線形増幅回路で発生するダイオードによる電力損失を無くし、変換効率を向上させる。 The linear amplifier (FCLA: Flying-Capacitor Linear Amplifier) provided with the flying capacitor of the present invention sets a reference voltage for each element of a plurality of semiconductor power devices constituting a series circuit by setting the charging voltage of the flying capacitor. It eliminates the power loss caused by the diode generated in the diode clamp type linear amplifier circuit and improves the conversion efficiency.

本発明の線形増幅器は、
(a)線形増幅器の出力端に対して少なくとも何れか一方の極側において、2個以上のMOSFETを直列接続した直列回路と、
(b)直列回路の各MOSFETのソース端の電位をそれぞれ異なる電位に保持する複数のフライングキャパシタと、
(c)各MOSFETのゲート端に入力信号を入力する入力回路と
を備える。
The linear amplifier of the present invention
(A) A series circuit in which two or more MOSFETs are connected in series on at least one pole side with respect to the output end of the linear amplifier.
(B) A plurality of flying capacitors that hold the potentials at the source ends of each MOSFET in the series circuit at different potentials, and
(C) An input circuit for inputting an input signal is provided at the gate end of each MOSFET.

直列回路は、線形増幅器において、直流電源と接続する電源側入力端と線形増幅器の出力端との間に接続され、直列回路を構成する直列接続された各MOSFETのソース端に対してそれぞれフライングキャパシタが接続され、各MOSFETのゲート端には入力回路が接続される。 In the linear amplifier, the series circuit is connected between the power supply side input end connected to the DC power supply and the output end of the linear amplifier, and is a flying capacitor for the source end of each MOSFET connected in series to form the series circuit. Is connected, and an input circuit is connected to the gate end of each MOSFET.

直列回路の各MOSFETは、MOSFETのソース端には各フライングキャパシタ、及び電源からそれぞれの電圧が印加されて基準電圧が設定され、各MOSFETのゲート電位もしくはドレイン電位が定まる。各MOSFETは、フライングキャパシタや電源電圧によって定められた各ソース端子の電位に対して入力信号の電圧の高低が如何なる状態にあるかによって、そのMOSFETの動作状態(動作領域)が変わり、ゲート端に印加される入力信号の電圧との関係に基づいて、線形領域、飽和領域、遮断領域において動作する。直列回路中のMOSFETの飽和領域又は遮断領域での動作状態において、入力信号の電圧によってオン状態あるいはオフ状態に切り替わるMOSFETによって線形増幅器の直列回路を流れる電流経路が切り替わり、電流経路内において線形領域で動作するMOSFETによって線形増幅が行われる。 In each MOSFET of the series circuit, a reference voltage is set by applying a respective voltage from each flying capacitor and a power source to the source end of the MOSFET, and the gate potential or drain potential of each MOSFET is determined. The operating state (operating area) of each MOSFET changes depending on the state of the voltage of the input signal with respect to the potential of each source terminal determined by the flying capacitor and the power supply voltage, and the MOSFET is located at the gate end. It operates in the linear region, saturation region, and cutoff region based on the relationship with the voltage of the applied input signal. In the operating state in the saturation region or cutoff region of the MOSFET in the series circuit, the current path flowing through the series circuit of the linear amplifier is switched by the MOSFET that switches to the on state or the off state depending on the voltage of the input signal, and in the linear region in the current path. Linear amplification is performed by the operating MOSFET.

電流経路中のMOSFETにおいて、線形動作を行うMOSFETは、MOSFETのドレイン電位が電源電圧となるMOSFET、あるいはフライングキャパシタによって設定される基準電圧が、入力信号を複数領域に区分したときの各区分の上限及び下限の範囲内となるMOSFETである。なお、直列回路のMOSFETにおいて、一つの入力信号に対して一つのMOSFETだけが線形動作を行い、他のMOSFETは飽和領域あるいは遮断領域の動作を行う。 In the MOSFET in the current path, the MOSFET that performs linear operation is a MOSFET in which the drain potential of the MOSFET is the power supply voltage, or the reference voltage set by the flying capacitor is the upper limit of each division when the input signal is divided into a plurality of regions. And a MOSFET that falls within the lower limit. In the MOSFET of the series circuit, only one MOSFET performs linear operation for one input signal, and the other MOSFET operates in the saturation region or the cutoff region.

また、直列回路の複数のMOSFETの内、遮断領域においてオフ状態となるMOSFETのドレイン・ソース間電圧はフライングキャパシタによって分圧される。 Further, among the plurality of MOSFETs in the series circuit, the drain-source voltage of the MOSFET that is turned off in the cutoff region is divided by the flying capacitor.

直列回路の各MOSFETのソース端に設定される基準電圧は、直列回路において接地電圧から正方向に電圧を加える方向、あるいは負方向に電圧を減ずる方向に設定され、直列回路を構成する複数のMOSFETの内、1つのMOSFETのみが線形領域で動作し、他のMOSFETは飽和領域又は遮断領域で動作する。線形領域で動作するMOSFETは、入力信号の電圧と各MOSFETの基準電圧との関係に基づいて、入力信号の電圧の変化に応じて順次切り替わる。線形領域で動作するMOSFETが順次切り替わることによって、入力信号において線形増幅される範囲が順次切り替わり、入力信号の全範囲について線形増幅が行われる。 The reference voltage set at the source end of each MOSFET in the series circuit is set in the direction of applying the voltage in the positive direction from the ground voltage in the series circuit or in the direction of decreasing the voltage in the negative direction, and a plurality of MOSFETs constituting the series circuit. Of these, only one MOSFET operates in the linear region and the other MOSFET operates in the saturation region or cutoff region. The MOSFETs operating in the linear region are sequentially switched according to the change in the voltage of the input signal based on the relationship between the voltage of the input signal and the reference voltage of each MOSFET. By sequentially switching the MOSFETs operating in the linear region, the range of linear amplification in the input signal is sequentially switched, and linear amplification is performed for the entire range of the input signal.

したがって、線形増幅器の直列回路は、直列回路を構成する複数のMOSFETの内、線形領域で動作するMOSFETを入力信号の電圧変化に応じて順次切り替えることによって、複数に分割された入力信号の各電圧範囲で線形増幅を行う。 Therefore, in the series circuit of the linear amplifier, among the plurality of MOSFETs constituting the series circuit, the MOSFETs operating in the linear region are sequentially switched according to the voltage change of the input signal, so that each voltage of the input signal divided into a plurality of voltages is sequentially switched. Perform linear amplification in the range.

線形増幅を行う電圧範囲の個数は基準電圧の個数により定まり、MOSFETのソース端に接続するフライングキャパシタの個数により定まる。したがって、フライングキャパシタの個数を増加し、基準電圧の個数を増加することによって、分割して行う線形増幅の電圧範囲を小さな電圧範囲に設定することができる。 The number of voltage ranges for linear amplification is determined by the number of reference voltages and is determined by the number of flying capacitors connected to the source end of the MOSFET. Therefore, by increasing the number of flying capacitors and the number of reference voltages, the voltage range of the linear amplification performed by division can be set to a small voltage range.

本発明の線形増幅器において、線形動作するMOSFETはソースフォロワとして動作し、電圧増幅率1の電流増幅回路として動作する。 In the linear amplifier of the present invention, the MOSFET that operates linearly operates as a source follower and operates as a current amplifier circuit having a voltage amplification factor of 1.

(フライングキャパシタ)
フライングキャパシタは、
(1)MOSFETのソース端の電圧をMOSFET毎に各基準電圧に電圧設定する機能
(2)MOSFETのドレイン・ソース間の電圧に設定する機能
の各機能を奏する。
(Flying capacitor)
Flying capacitors
(1) A function of setting the voltage at the source end of the MOSFET to each reference voltage for each MOSFET (2) A function of setting the voltage between the drain and source of the MOSFET is performed.

(1:ソース端の電圧設定)
ソース端の電圧設定によって、直列回路が備える複数のMOSFETの中から増幅動作あるいは導通状態(オン状態)となるMOSFETと、非導通状態(オフ状態)となるMOSFETとを分けて動作させる。入力信号の電圧範囲に対して、ソース端に設定された電圧が低い場合にはMOSFETは線形増幅あるいは導通状態となり、ソース端に設定された電圧が高い場合には、MOSFETは非導通状態となる。
(1: Voltage setting at the source end)
Depending on the voltage setting at the source end, the MOSFET that is in the amplification operation or conduction state (on state) and the MOSFET that is in the non-conduction state (off state) are operated separately from the plurality of MOSFETs included in the series circuit. When the voltage set at the source end is low with respect to the voltage range of the input signal, the MOSFET is in a linear amplification or conducting state, and when the voltage set at the source end is high, the MOSFET is in a non-conducting state. ..

直列回路の各MOSFETのソース端に設定される基準電圧を、直列回路において接地電圧から正方向に電圧を加える方向、あるいは負方向に電圧を減ずる方向に設定する。この基準電圧の設定は接続される各フライングキャパシタの保持電圧、及び電源電圧で定まる。このフライングキャパシタの保持電圧は、各フライングキャパシタの設けた絶縁電源もしくは電圧バランス回路によって所定電圧に保持させることができる。 The reference voltage set at the source end of each MOSFET in the series circuit is set in the direction in which the voltage is applied in the positive direction from the ground voltage in the series circuit or in the direction in which the voltage is decreased in the negative direction. The setting of this reference voltage is determined by the holding voltage of each connected flying capacitor and the power supply voltage. The holding voltage of this flying capacitor can be held at a predetermined voltage by an insulated power supply or a voltage balance circuit provided in each flying capacitor.

(2:ドレイン・ソース間の電圧設定)
MOSFETのドレイン・ソース間の電圧設定により、MOSFETの線形領域におけるゲート・出力電圧特性に基づいて、直流電圧を入力信号の電圧変化に応じて線形増幅する。MOSFETのゲート電位がそのMOSFETのソース電位よりも高いとき、飽和領域もしくは線形領域で動作し、ゲート電位がそのMOSFETのソース電位よりも低いときには遮断領域で動作する。
(2: Voltage setting between drain and source)
By setting the voltage between the drain and source of the MOSFET, the DC voltage is linearly amplified according to the voltage change of the input signal based on the gate / output voltage characteristics in the linear region of the MOSFET. When the gate potential of the MOSFET is higher than the source potential of the MOSFET, it operates in the saturation region or the linear region, and when the gate potential is lower than the source potential of the MOSFET, it operates in the cutoff region.

入力信号の電圧範囲との関係に基づいて直列回路中の複数のMOSFETの中から線形領域で動作するMOSFETが一つ選択され、入力信号の電圧変化に伴って選択されるMOSFETが順次移行する。 One MOSFET operating in the linear region is selected from a plurality of MOSFETs in the series circuit based on the relationship with the voltage range of the input signal, and the selected MOSFETs are sequentially transferred according to the voltage change of the input signal.

(直列回路)
本発明の直列回路の第1の形態は、線形増幅器の出力端に対して、正極側に正側直列回路、及び負極側に負側直列回路を備える。
(Series circuit)
The first aspect of the series circuit of the present invention includes a positive side series circuit on the positive electrode side and a negative side series circuit on the negative electrode side with respect to the output end of the linear amplifier.

正側直列回路が備えるMOSFETはn−MOSFETであり、負側直列回路が備えるMOSFETはp−MOSFETである。この第1の形態において、各フライングキャパシタの電圧は直流電源の電圧以内の設定電圧であり、各フライングキャパシタは、このフライングキャパシタが印加するn−MOSFETとp−MOSFETとの間の両ソース端間に接続され、MOSFETのソース端間の電圧を前記設定電圧に保持する。正側直列回路の出力は正電圧となり、負側直列回路の出力は負電圧となる。 The MOSFET included in the positive series circuit is an n-MOSFET, and the MOSFET included in the negative series circuit is a p-MOSFET. In this first embodiment, the voltage of each flying capacitor is a set voltage within the voltage of the DC power supply, and each flying capacitor is between the ends of both sources between the n-MOSFET and the p-MOSFET applied by the flying capacitor. The voltage between the source ends of the MOSFET is held at the set voltage. The output of the positive series circuit is a positive voltage, and the output of the negative series circuit is a negative voltage.

本発明の直列回路の第3の形態は、線形増幅器の出力端に対して、正側直列回路にMOSFET直列回路、負極側にダイオードを直列接続してなるダイオード直列回路を備え、又は、正側直列回路にダイオードを直列接続してなるダイオード直列回路、負極側にMOSFET直列回路を備える。この各直列回路において、正側直列回路が備えるMOSFETはn−MOSFETであり、負側直列回路が備えるMOSFETはp−MOSFETである。正極側のMOSFET直列回路は正電圧を出力し、負極側のMOSFET直列回路は負電圧を出力する。 A third form of the series circuit of the present invention includes a MOSFET series circuit on the positive side series circuit and a diode series circuit in which a diode is connected in series on the negative side with respect to the output end of the linear amplifier, or the positive side. A diode series circuit formed by connecting a diode in series to the series circuit, and a MOSFET series circuit on the negative side. In each of the series circuits, the MOSFET included in the positive series circuit is an n-MOSFET, and the MOSFET included in the negative series circuit is a p-MOSFET. The MOSFET series circuit on the positive electrode side outputs a positive voltage, and the MOSFET series circuit on the negative electrode side outputs a negative voltage.

(入力回路)
直列回路の第1の形態において、入力回路の第1の形態は、複数のMOSFETの各ゲート端を接続する接続回路を備え、全ゲート端に共通のゲート電圧を入力する。
(Input circuit)
In the first form of the series circuit, the first form of the input circuit includes a connection circuit for connecting the gate ends of the plurality of MOSFETs, and inputs a common gate voltage to all the gate ends.

また、入力回路の接続回路は、ゲート端との間に接続される過電流防止のゲート抵抗や、ゲート端とソース端との間に接続されるゲート・ソース間の過電圧防止のツェナーダイオードを備える構成とすることができる。 Further, the connection circuit of the input circuit includes a gate resistor for overcurrent prevention connected between the gate end and a Zener diode for overvoltage prevention between the gate and source connected between the gate end and the source end. It can be configured.

また、直列回路の第1の形態において、入力回路の第2の形態は、複数のMOSFETの各ゲート端に個別にゲート駆動回路を接続し、各ゲート端に個別のゲート電圧を入力する。 Further, in the first form of the series circuit, in the second form of the input circuit, a gate drive circuit is individually connected to each gate end of the plurality of MOSFETs, and an individual gate voltage is input to each gate end.

(電力変換装置の態様)
本発明の電力変換装置の態様は、本発明の線形増幅器と直流電源とを備え、線形増幅器の出力端を電力変換装置の出力端として直流電圧を交流電圧あるいは直流電圧に電力変換して出力する。
(Aspect of power converter)
The mode of the power conversion device of the present invention includes the linear amplifier and the DC power supply of the present invention, and outputs the DC voltage by converting the DC voltage into an AC voltage or a DC voltage by using the output end of the linear amplifier as the output end of the power conversion device. ..

直流電源は、線形増幅器の正側直列回路の高電圧側と接地電位との間に接続される正側直流電源、及び線形増幅器の負側直列回路の低電圧側と接地電位との間に接続される負側直流電源の2つの直流電源を備えた構成、又は、線形増幅器の負側直列回路の低電圧側を接地電位とし、この接地電位と線形増幅器の正側直列回路の高電圧側との間に接続される1つの直流電源を備えた構成である。 The DC power supply is connected between the high voltage side of the positive series circuit of the linear amplifier and the ground potential, and the low voltage side of the negative series circuit of the linear amplifier and the ground potential. A configuration provided with two DC power supplies of the negative side DC power supply, or the low voltage side of the negative side series circuit of the linear amplifier is the ground potential, and this ground potential and the high voltage side of the positive side series circuit of the linear amplifier It is a configuration including one DC power supply connected between.

本発明の電力変換装置の態様は、線形増幅器の出力端と電力変換装置の出力端との間に接続されたフルブリッジインバータを備える。フルブリッジインバータは、正極側のMOSFET直列回路の出力、又は負極側のMOSFET直列回路の出力の何れか一方の出力を反転させて交流を出力する。 A mode of the power converter of the present invention comprises a full bridge inverter connected between the output end of a linear amplifier and the output end of a power converter. The full bridge inverter inverts either the output of the MOSFET series circuit on the positive electrode side or the output of the MOSFET series circuit on the negative electrode side to output alternating current.

本願の形態によれば、直列素子数の変更に対してゲート制御の拡張性を高めることができる。 According to the embodiment of the present application, the expandability of the gate control can be enhanced with respect to the change in the number of series elements.

本願の形態によれば、各MOSFETに対して異なる直流電圧を印加する素子としてクランプダイオードに代えてフライングキャパシタを用いることによって、MOSFETの個数に応じた直流電圧を供給するための複雑な直流電源が不要となり、直流電源の構成に対する要求を低減し、簡易な構成の直流電源で動作させることができ、また、MOSFETの素子数の増減に対するゲート制御の拡張性を高めることができる。 According to the embodiment of the present application, by using a flying capacitor instead of a clamp diode as an element for applying a different DC voltage to each MOSFET, a complicated DC power supply for supplying a DC voltage according to the number of MOSFETs can be obtained. It becomes unnecessary, the requirement for the configuration of the DC power supply can be reduced, the operation can be performed with the DC power supply having a simple configuration, and the expandability of the gate control with respect to the increase or decrease in the number of elements of the MOSFET can be enhanced.

本願の形態によれば、各MOSFETのゲートに個別にゲート駆動回路を設けることにより、フライングキャパシタの電圧バランスを実現することが可能となり、また、各MOSFETの電力損失を均等化することができる。 According to the embodiment of the present application, the voltage balance of the flying capacitor can be realized and the power loss of each MOSFET can be equalized by providing the gate drive circuit individually for the gate of each MOSFET.

以上説明したように、本発明によれば、クランプダイオードを用いることにより生じる電力損失を低減することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to reduce the power loss caused by using the clamp diode.

本発明のn個のMOSFETを直列接続したn直列回路を備える線形増幅器の構成例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the configuration example of the linear amplifier including the n series circuit which connected n MOSFETs of this invention in series. 本発明のn個のMOSFETを直列接続したn直列回路の別の構成例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating another configuration example of the n series circuit which connected n MOSFETs of this invention in series. 本発明の線形増幅器による変換効率の向上を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the improvement of conversion efficiency by the linear amplifier of this invention. 本発明の2直列回路の一構成例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one configuration example of the 2 series circuit of this invention. 本発明の2直列回路の線形増幅器の動作例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation example of the linear amplifier of the 2 series circuit of this invention. 本発明の2直列回路の線形増幅器の動作例を説明するための信号図である。It is a signal diagram for demonstrating the operation example of the linear amplifier of the 2 series circuit of this invention. 本発明の2直列回路の線形増幅器の動作例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation example of the linear amplifier of the 2 series circuit of this invention. 本発明の4直列回路の一構成例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one configuration example of the 4 series circuit of this invention. 本発明の4直列回路の線形増幅器の動作例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation example of the linear amplifier of 4 series circuit of this invention. 本発明の4直列回路の線形増幅器の動作例を説明するための信号図である。It is a signal diagram for demonstrating the operation example of the linear amplifier of 4 series circuit of this invention. 本発明の4直列回路の線形増幅器の動作例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation example of the linear amplifier of 4 series circuit of this invention. 本発明の4直列回路の線形増幅器の動作例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation example of the linear amplifier of 4 series circuit of this invention. 本発明の3直列回路の構成例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structural example of the 3 series circuit of this invention. 本発明の6直列回路の一構成例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one configuration example of the 6 series circuit of this invention. 本発明の6直列回路の線形増幅器の動作例を説明するための信号図である。It is a signal diagram for demonstrating the operation example of the linear amplifier of the 6 series circuit of this invention. 本発明の6直列回路の線形増幅器の動作例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation example of the linear amplifier of the 6 series circuit of this invention. 本発明の5直列回路の構成例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structural example of the 5 series circuit of this invention. 本発明の線形増幅器の他の構成例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating another structural example of the linear amplifier of this invention. 本発明の線形増幅器の実施例による変換効率を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the conversion efficiency by an Example of the linear amplifier of this invention. 直列数nに対する線形増幅器FCLAと線形増幅器DCLAの理論変換効率の差を示すグラフである。It is a graph which shows the difference of the theoretical conversion efficiency of a linear amplifier FCLA and a linear amplifier DCLA with respect to the series number n. ダイオードクランプ形線形増幅回路の一構成例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one configuration example of a diode clamp type linear amplifier circuit. クランプダイオードで発生する電力損失を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the power loss which occurs in a clamp diode.

以下、本願発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。線形増幅器、及び線形増幅器を備えた電力変換装置において、図1〜図3を用いてn個のMOSFETを直列接続したn直列回路を備える線形増幅器の構成例を説明し、図4〜図7を用いて2個のMOSFETを直列接続した2直列回路を備える線形増幅器の構成例を説明し、図8〜図13を用いて3個又は4個のMOSFETを直列接続した3直列回路及び4直列回路を備える線形増幅器の構成例を説明し、図14〜図17を用いて5個又は6個のMOSFETを直列接続した5直列回路及び6直列回路を備える線形増幅器の構成例を説明し、図18を用いて正極側あるいは負極側の片側にのみMOSFETの直列回路を備える構成例を説明する。また、図19,20を用いて本発明の線形増幅器の実施例による変換効率を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In a power conversion device including a linear amplifier and a linear amplifier, a configuration example of a linear amplifier including an n-series circuit in which n MOSFETs are connected in series will be described with reference to FIGS. 1 to 3, and FIGS. 4 to 7 are shown. A configuration example of a linear amplifier including a two-series circuit in which two MOSFETs are connected in series will be described, and a three-series circuit and a four-series circuit in which three or four MOSFETs are connected in series will be described with reference to FIGS. 8 to 13. A configuration example of a linear amplifier including the above will be described, and FIGS. 14 to 17 will be used to describe a configuration example of a linear amplifier including a 5-series circuit and a 6-series circuit in which 5 or 6 MOSFETs are connected in series. Will be described with reference to a configuration example in which a series circuit of MOSFETs is provided only on one side of the positive electrode side or the negative electrode side. In addition, the conversion efficiency according to the embodiment of the linear amplifier of the present invention will be described with reference to FIGS. 19 and 20.

(n直列回路による構成)
図1はn個のMOSFETを直列接続したn直列回路を備える線形増幅器の構成例を説明するための図であり、図1(a)は回路構成例を示し、図1(b)は出力電圧と線形動作するMOSFETとの関係を示している。
(Composition with n series circuit)
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration example of a linear amplifier including an n-series circuit in which n MOSFETs are connected in series, FIG. 1 (a) shows a circuit configuration example, and FIG. 1 (b) shows an output voltage. The relationship between and a MOSFET that operates linearly is shown.

図1(a)に示す線形増幅器1は、複数のMOSFET(Q1,Q2,…,Qk,…,Qn,Qnp,…,Q2p,Q1p)を直列接続した直列回路2(2A、2B)と、各MOSFETのソース端の電位をそれぞれ異なる電位に保持する複数のフライングキャパシタ3(C1,C2,…,cn-1)と、各MOSFETのゲート端に入力信号vinを入力する入力回路4とを備える。接地電位を基準としたとき、ソース端の基準電圧はフライングキャパシタによる電圧と電源電圧とによって定まる。なお、図1(a)に示す入力回路4は、各MOSFET(Q1,Q2,…,Qk,…,Qn,Qnp,…,Q2p,Q1p)に共通の入力信号vinを入力する構成例である。入力回路4はこの構成に限らず、各MOSFETのゲート端に個別に入力信号を入力する構成としてもよい。 The linear amplifier 1 shown in FIG. 1A includes a series circuit 2 (2A, 2B) in which a plurality of MOSFETs (Q1, Q2, ..., Qk, ..., Qn, Qnp, ..., Q2p, Q1p) are connected in series. A plurality of flying capacitors 3 (C1, C2, ..., Cn-1) that hold the potential at the source end of each MOSFET at different potentials, and an input circuit 4 that inputs an input signal bin to the gate end of each MOSFET are provided. .. When the ground potential is used as a reference, the reference voltage at the source end is determined by the voltage generated by the flying capacitor and the power supply voltage. The input circuit 4 shown in FIG. 1A is a configuration example in which a common input signal bin is input to each MOSFET (Q1, Q2, ..., Qk, ..., Qn, Qnp, ..., Q2p, Q1p). .. The input circuit 4 is not limited to this configuration, and may be configured to individually input an input signal to the gate end of each MOSFET.

直列回路2(2A,2B)は、直流電源11(11A,11B)と線形増幅器1の出力端9outとの間に接続される。 The series circuit 2 (2A, 2B) is connected between the DC power supply 11 (11A, 11B) and the output terminal 9out of the linear amplifier 1.

直列回路2(2A,2B)は、線形増幅器1の出力端9outに対して、正極側の正側直列回路2Aと、負強側の負側直列回路2Bとを備える。正側直列回路2Aが備えるMOSFET(Q1,Q2,…,Qk,…,Qn)はn−MOSFETであり、負側直列回路2Bが備えるMOSFET(Qnp,…,Qkp,Q2p,Q1p)はp−MOSFETである。正側直列回路2Aが備えるn−MOSFET(Q1,Q2,…,Qk,…,Qn)の個数n、及び負側直列回路2Bが備えるp−MOSFET(Qnp,…,Qkp,Q2p,Q1p)の個数nは、2個以上の任意の個数とすることができ、同一の線形増幅器1では正側直列回路2Aと負側直列回路2Bが備える各MOSFETの個数nは同数である。 The series circuit 2 (2A, 2B) includes a positive side series circuit 2A on the positive electrode side and a negative side series circuit 2B on the negative strong side with respect to the output terminal 9out of the linear amplifier 1. The MOSFETs (Q1, Q2, ..., Qk, ..., Qn) included in the positive series circuit 2A are n-MOSFETs, and the MOSFETs (Qnp, ..., Qkp, Q2p, Q1p) included in the negative series circuit 2B are p- It is a MOSFET. The number n of n-MOSFETs (Q1, Q2, ..., Qk, ..., Qn) included in the positive series circuit 2A, and the p-MOSFETs (Qnp, ..., Qkp, Q2p, Q1p) included in the negative series circuit 2B. The number n can be any number of two or more, and in the same linear amplifier 1, the number n of each MOSFET included in the positive side series circuit 2A and the negative side series circuit 2B is the same number.

正側直列回路2Aにおいて、n−MOSFET(Q1)のドレイン端は直流電源E1の正極側に接続され、n−MOSFET(Q1)のソース端は隣接するn−MOSFET(Q2)のドレイン端に接続される。同様に、隣接する2つのn−MOSFETにおいて、直流電源の正極側にあるn−MOSFETのソース端は出力端9out側にあるn−MOSFETのドレイン端に接続される。最も出力端9out側にあるn−MOSFET(Qn)のソース端は出力端9outに接続され、出力端9outは負荷12に接続される。 In the positive side series circuit 2A, the drain end of the n-MOSFET (Q1) is connected to the positive electrode side of the DC power supply E1, and the source end of the n-MOSFET (Q1) is connected to the drain end of the adjacent n-MOSFET (Q2). Will be done. Similarly, in two adjacent n-MOSFETs, the source end of the n-MOSFET on the positive electrode side of the DC power supply is connected to the drain end of the n-MOSFET on the output end 9out side. The source end of the n-MOSFET (Qn) closest to the output end 9out side is connected to the output end 9out, and the output end 9out is connected to the load 12.

同様に、負側直列回路2Bにおいて、p−MOSFET(Q1p)のドレイン端は直流電源E2の負極側に接続され、p−MOSFET(Q1p)のソース端は隣接するp−MOSFET(Q2p)のドレイン端に接続される。同様に、隣接する2つのp−MOSFETにおいて、直流電源の負極側にあるp−MOSFETのソース端は出力端9out側にあるp−MOSFETのドレイン端に接続される。最も出力端9out側にあるp−MOSFET(Qnp)は出力端9outに接続され、出力端9outは負荷12に接続される。正側直列回路2Aは正電圧を出力し、負側直列回路2Bは負電圧を出力する。なお、図1ではp−MOSFET(Qkp)は図示していない。 Similarly, in the negative side series circuit 2B, the drain end of the p-MOSFET (Q1p) is connected to the negative electrode side of the DC power supply E2, and the source end of the p-MOSFET (Q1p) is the drain of the adjacent p-MOSFET (Q2p). Connected to the end. Similarly, in two adjacent p-MOSFETs, the source end of the p-MOSFET on the negative electrode side of the DC power supply is connected to the drain end of the p-MOSFET on the output end 9out side. The p-MOSFET (Qnp) closest to the output end 9out side is connected to the output end 9out, and the output end 9out is connected to the load 12. The positive side series circuit 2A outputs a positive voltage, and the negative side series circuit 2B outputs a negative voltage. Note that p-MOSFET (Qkp) is not shown in FIG.

フライングキャパシタ3(C1,C2,…,Cn-1)は、各フライングキャパシタ3が印加するn−MOSFETとp−MOSFETとの間の両MOSFETのソース端間に接続され、各MOSFETのソース端間の電圧を設定電圧に保持する。 The flying capacitors 3 (C1, C2, ..., Cn-1) are connected between the source ends of both MOSFETs between the n-MOSFET and the p-MOSFET applied by each flying capacitor 3, and between the source ends of each MOSFET. Holds the voltage of.

フライングキャパシタ3(C1)は、n−MOSFET(Q1)のソース端とp−MOSFET(Q1p)のソース端間に接続され、フライングキャパシタ3(C2)は、n−MOSFET(Q2)のソース端とp−MOSFET(Q2p)のソース端間に接続される。他のフライングキャパシタ3(C3〜Cn-1)についても、n−MOSFET(Q3〜Qn-1)のソース端とp−MOSFET(Q3p〜Qn-1p)のソース端間に接続される。n−MOSFET(Qn)のソース端は出力端9outに接続され、p−MOSFET(Qnp)のソース端は出力端9outに接続される。 The flying capacitor 3 (C1) is connected between the source end of the n-MOSFET (Q1) and the source end of the p-MOSFET (Q1p), and the flying capacitor 3 (C2) is connected to the source end of the n-MOSFET (Q2). It is connected between the source ends of the p-MOSFET (Q2p). The other flying capacitors 3 (C3 to Cn-1) are also connected between the source end of the n-MOSFET (Q3 to Qn-1) and the source end of the p-MOSFET (Q3p to Qn-1p). The source end of the n-MOSFET (Qn) is connected to the output end 9out, and the source end of the p-MOSFET (Qnp) is connected to the output end 9out.

フライングキャパシタ3(C1,C2,…,Cn-1)は、絶縁電源もしくは電圧バランス回路による充電により、規定電圧に電圧保持される。例えば、n個のMOSFETを直列接続して構成される直列回路において、直流電源の電圧を電圧Eとしたときには、k番目のフライングキャパシタ3(Ck)は(n−k)E/nとし、これによってn−MOSFET(Qk)とp−MOSFET(Qk)のソース端に電圧(n−k)E/nを保持させる。この例では、直流電源の電圧Eを基準電圧とし、この電圧を1/nに分割した電圧幅を各フライングキャパシタ3の保持電圧の電圧幅としているが、各フライングキャパシタ3の保持電圧の電圧幅は等しい電圧幅に限らず、任意の電圧幅とすることができる。 The flying capacitor 3 (C1, C2, ..., Cn-1) is held at a specified voltage by charging with an isolated power supply or a voltage balance circuit. For example, in a series circuit composed of n MOSFETs connected in series, when the voltage of the DC power supply is voltage E, the kth flying capacitor 3 (Ck) is set to (nk) E / n. The voltage (n-k) E / n is held at the source ends of the n-MOSFET (Qk) and the p-MOSFET (Qk). In this example, the voltage E of the DC power supply is used as the reference voltage, and the voltage width obtained by dividing this voltage into 1 / n is used as the holding voltage width of each flying capacitor 3, but the holding voltage width of each flying capacitor 3 is used. Is not limited to the same voltage width, and can be any voltage width.

フライングキャパシタ3(C1,C2,…,Cn-1)にはそれぞれ絶縁電源5あるいは電圧バランス回路(図示していない)が接続され、この絶縁電源あるいは電圧バランス回路によって各フライングキャパシタ3(C1,C2,…,Cn-1)の電圧を設定電圧に保持する。電圧バランス回路は、フライングキャパシタの電圧を所定電圧に保持する付加回路であり、絶縁を要しない回路構成である。 An insulated power supply 5 or a voltage balance circuit (not shown) is connected to each of the flying capacitors 3 (C1, C2, ..., Cn-1), and each flying capacitor 3 (C1, C2) is connected by this insulated power supply or voltage balance circuit. , ..., Cn-1) voltage is held at the set voltage. The voltage balance circuit is an additional circuit that holds the voltage of the flying capacitor at a predetermined voltage, and has a circuit configuration that does not require insulation.

図1に示す構成において、直流電源11は、電圧E1の正側直流電源11Aと電圧E2の負側直流電源11Bとを直列接続すると共に、両直流電源の接続点を接地した構成である。この構成によれば、正側直流電源11Aの電圧E1を正側直列回路2Aに印加し、負側直流電源11Bの電圧E2を負側直列回路2Bに印加する。電圧E1と電圧E2とは任意の電圧とすることができ、互いに異なる電圧あるいは同電圧とすることができる。 In the configuration shown in FIG. 1, the DC power supply 11 has a configuration in which a positive DC power supply 11A having a voltage E1 and a negative DC power supply 11B having a voltage E2 are connected in series, and the connection points of both DC power supplies are grounded. According to this configuration, the voltage E1 of the positive DC power supply 11A is applied to the positive series circuit 2A, and the voltage E2 of the negative DC power supply 11B is applied to the negative series circuit 2B. The voltage E1 and the voltage E2 can be arbitrary voltages, and can be different or the same voltage from each other.

フライングキャパシタ3の各C1,C2,…,Cn-2,Cn-1の各電圧E11,E12,…,E1n-2,E1n-1は電源電圧E1の2倍の電圧2E1を分圧した電圧であり、これらの電圧間はE11>E12>,…E1n-2>E1n-1の関係を有して設定される。 Each voltage E11, E12, ..., E1n-2, E1n-1 of each C1, C2, ..., Cn-2, Cn-1 of the flying capacitor 3 is a voltage obtained by dividing the voltage 2E1 which is twice the power supply voltage E1. Yes, these voltages are set with the relationship of E11> E12>, ... E1n-2> E1n-1.

正側直列回路2Aの各n−MOSFETにおいて、各n−MOSFET(Q)のソース端の電位はフライングキャパシタ3の電圧、及び電源電圧によって設定され、ドレイン・ソース端間電圧は、電源電圧とフライングキャパシタの電圧との電圧差、あるいは隣接するフライングキャパシタの電圧差によって設定される。また、接地電位を基準としたときには、ソース端の電位はフライングキャパシタが保持する電圧値だけでなく、直流電源の電圧値も関連して定まる。例えば、正側直列回路のMOSFETのソース電位については負側直流電源の電圧値が関連し、負側直列回路のMOSFETのソース電位については正側直流電源の電圧値が関連する。 In each n-MOSFET of the positive series circuit 2A, the potential at the source end of each n-MOSFET (Q) is set by the voltage of the flying capacitor 3 and the power supply voltage, and the drain-source end voltage is the power supply voltage and flying. It is set by the voltage difference from the voltage of the capacitor or the voltage difference of the adjacent flying capacitor. Further, when the ground potential is used as a reference, the potential at the source end is determined not only by the voltage value held by the flying capacitor but also by the voltage value of the DC power supply. For example, the voltage value of the negative DC power supply is related to the source potential of the MOSFET of the positive series circuit, and the voltage value of the positive DC power supply is related to the source potential of the MOSFET of the negative series circuit.

図1の回路構成では、n−MOSFET(Q1)のソース端における電圧はフライングキャパシタ3(C1)によって電圧E11及び負側直流電源E2に基づいて設定され、ドレイン・ソース間電圧は、正側直流電源11Aの電圧E1、フライングキャパシタ3(C1)の電圧E11、及び負側直流電源11Bの電圧E2により(E1−(E11−E2))が印加される。n−MOSFET(Q2)のソース端における基準電圧はフライングキャパシタ3(C2)によって電圧E12及び負側直流電源E2に基づいて設定され、ドレイン・ソース間電圧は、フライングキャパシタ3(C1)の電圧E11とフライングキャパシタ3(C2)の電圧E12との電圧差(E11−E12)が印加される。n−MOSFET(Q3)〜n−MOSFET(Qn-1)のソース端の基準電圧、及びドレイン・ソース間電圧も同様に設定される。 In the circuit configuration of FIG. 1, the voltage at the source end of the n-MOSFET (Q1) is set by the flying capacitor 3 (C1) based on the voltage E11 and the negative DC power supply E2, and the drain-source voltage is the positive DC. (E1- (E11-E2)) is applied by the voltage E1 of the power supply 11A, the voltage E11 of the flying capacitor 3 (C1), and the voltage E2 of the negative DC power supply 11B. The reference voltage at the source end of the n-MOSFET (Q2) is set by the flying capacitor 3 (C2) based on the voltage E12 and the negative DC power supply E2, and the drain-source voltage is the voltage E11 of the flying capacitor 3 (C1). And the voltage difference (E11-E12) from the voltage E12 of the flying capacitor 3 (C2) is applied. The reference voltage at the source end of the n-MOSFET (Q3) to n-MOSFET (Qn-1) and the drain-source voltage are also set in the same manner.

n−MOSFET(Qn)のソース端は出力端子であるため、出力電圧が接地電圧"0"で負荷に電流が流れない場合には、ドレイン・ソース間電圧は、フライングキャパシタ3(Cn-1)の電圧E1n-1と接地電圧との電圧差E1n-1が印加される。 Since the source end of the n-MOSFET (Qn) is an output terminal, when the output voltage is the ground voltage "0" and no current flows through the load, the drain-source voltage is the flying capacitor 3 (Cn-1). The voltage difference E1n-1 between the voltage E1n-1 and the ground voltage is applied.

一方、負側直列回路2Bの各p−MOSFETにおいても、正側直列回路2Aの各n−MOSFETと同様に、各p−MOSFET(Q)のソース端の電圧はフライングキャパシタ3の電圧と正側直流電源に基づいて設定され、ドレイン・ソース端間電圧は、電源電圧とフライングキャパシタの電圧との電圧差、あるいは隣接するフライングキャパシタの電圧差によって設定される。 On the other hand, in each p-MOSFET of the negative side series circuit 2B, the voltage at the source end of each p-MOSFET (Q) is on the positive side with the voltage of the flying capacitor 3 as in each n-MOSFET of the positive side series circuit 2A. It is set based on the DC power supply, and the drain-source end-to-end voltage is set by the voltage difference between the power supply voltage and the voltage of the flying capacitor, or the voltage difference of the adjacent flying capacitor.

入力回路4は、正側直列回路2Aの各n−MOSFET(Q1,Q2,…,Qk,…,Qn)の各ゲート端、及び負側直列回路2Bの各p−MOSFET(Q1p,Q2p,…,Qkp,…,Qnp)の各ゲート端を、それぞれゲート抵抗6を介して入力端9inに接続して構成される入力端9inから入力された入力信号は、各ゲート抵抗6を介して正側直列回路2A及び負極側の直列回路2Bの各MOSFETに共通に入力される。なお、ゲート抵抗6は、ゲート端への過電流を防止する。また、各MOSFETにおいて、ゲート端とソース端との間にはゲート・ソース間の過電圧防止のツェナーダイオード7が設けられる。 The input circuit 4 is a gate end of each n-MOSFET (Q1, Q2, ..., Qk, ..., Qn) of the positive series circuit 2A, and each p-MOSFET (Q1p, Q2p, ...) Of the negative series circuit 2B. , Qkp, ..., Qnp) The input signal input from the input end 9in, which is configured by connecting each gate end to the input end 9in via the gate resistor 6, is on the positive side via each gate resistor 6. It is input in common to each MOSFET of the series circuit 2A and the series circuit 2B on the negative side. The gate resistor 6 prevents an overcurrent to the gate end. Further, in each MOSFET, a Zener diode 7 for preventing overvoltage between the gate and the source is provided between the gate end and the source end.

正側直列回路2Aの各n−MOSFET(Q1,Q2,…,Qk,…,Qn)及び負側直列回路2Bの各p−MOSFET(Q1p,Q2p,…,Qkp,…,Qnp)は、各MOSFETのソース端に設定された電圧と、入力端9inに入力された入力信号vinの電圧変化との関係に基づいて導通又は非導通状態で動作し、各MOSFETのドレイン・ソース間の電圧と、入力端9inに入力された入力信号vinの電圧変化との関係に基づいて線形領域、飽和領域、あるいは遮断領域で動作する。 Each n-MOSFET (Q1, Q2, ..., Qk, ..., Qn) of the positive series circuit 2A and each p-MOSFET (Q1p, Q2p, ..., Qkp, ..., Qnp) of the negative series circuit 2B are It operates in a conductive or non-conducting state based on the relationship between the voltage set at the source end of the MOSFET and the voltage change of the input signal Vin input to the input terminal 9in, and the voltage between the drain and source of each MOSFET and the voltage between the drain and source of each MOSFET. It operates in a linear region, a saturation region, or a cutoff region based on the relationship with the voltage change of the input signal Vin input to the input terminal 9in.

このMOSFETの動作において、直列回路2が備えるMOSFETの内で1つのMOSFETのみが線形領域で動作して入力信号vinを線形増幅し、残りのMOSFETについては飽和領域又は遮断領域で動作するオン状態又はオフ状態となり、直流電源11と負荷12との間に電流経路が形成される。 In the operation of this MOSFET, only one MOSFET among the MOSFETs included in the series circuit 2 operates in the linear region to linearly amplify the input signal vin, and the remaining MOSFETs operate in the saturation region or the cutoff region in the on-state or It is turned off and a current path is formed between the DC power supply 11 and the load 12.

例えば、入力信号vinの電圧がn−MOSFET(Q1)のソース端に設定した電圧よりも高電圧である電圧範囲にある場合には、n−MOSFET(Q1)は線形領域あるいは飽和領域の電源電圧を出力する動作モードで動作し、n−MOSFET(Q2,…,Qk,…,Qn)及びp−MOSFET(Q1p,Q2p,…,Qkp,…,Qnp)は飽和領域あるいは遮断領域で動作し、n−MOSFET(Q2,…,Qk,…,Qn)はオン状態となり、p−MOSFET(Q1p,Q2p,…,Qkp,…,Qnp)はオフ状態となる。この動作状態では、正側直流電源11Aから正側直列回路2Aを介して負荷12に至る電流経路が形成される。 For example, when the voltage of the input signal Vin is in the voltage range higher than the voltage set at the source end of the n-MOSFET (Q1), the n-MOSFET (Q1) is the power supply voltage in the linear region or the saturation region. The n-MOSFET (Q2, ..., Qk, ..., Qn) and p-MOSFET (Q1p, Q2p, ..., Qkp, ..., Qnp) operate in the saturation region or the cutoff region, and operate in the operation mode to output. The n-MOSFETs (Q2, ..., Qk, ..., Qn) are turned on, and the p-MOSFETs (Q1p, Q2p, ..., Qkp, ..., Qnp) are turned off. In this operating state, a current path is formed from the positive DC power supply 11A to the load 12 via the positive series circuit 2A.

この電流経路において、n−MOSFET(Q1)が線形領域で動作することで入力信号vinを線形増幅する。図1(b)の領域A1は、このn−MOSFET(Q1)による線形増幅の状態を示している。 In this current path, the n-MOSFET (Q1) operates in the linear region to linearly amplify the input signal bin. The region A1 in FIG. 1B shows the state of linear amplification by this n-MOSFET (Q1).

入力信号vinの電圧がn−MOSFET(Qk)のソース端に設定した電圧よりも高電圧であり、かつ、n−MOSFET(Qk-1)のソース端に設定した電圧よりも低電圧もしくはn−MOSFET(Qk)のゲート端のターンオンしきい値よりも低電圧である電圧範囲にある場合には、n−MOSFET(Qk)は線形領域で動作し、n−MOSFET(Qk+1,…,Qn)及びp−MOSFET(Q1p,Q2p,…,Qkp,…,Qnp)は飽和領域あるいは遮断領域で動作し、n−MOSFET(Qk+1,…,Qn)はオン状態となり、p−MOSFET(Q1p,Q2p,…,Qnp)はオフ状態となる。この動作状態では、負側直流電源11Bから負側直列回路2Bの一部及び正側直列回路2Aの一部を介して負荷12に至る電流経路が形成される。この電流経路において、n−MOSFET(Qk)が線形領域で動作することで入力信号vinを線形増幅する。図1(b)の領域Akは、このn−MOSFET(Qk)による線形増幅の状態を示している。 The voltage of the input signal Vin is higher than the voltage set at the source end of the n-MOSFET (Qk), and is lower than the voltage set at the source end of the n-MOSFET (Qk-1) or n-. When in the voltage range lower than the turn-on threshold of the gate end of the MOSFET (Qk), the n-MOSFET (Qk) operates in the linear region and the n-MOSFET (Qk + 1, ..., Qn) ) And p-MOSFET (Q1p, Q2p, ..., Qkp, ..., Qnp) operate in the saturation region or cutoff region, n-MOSFET (Qk + 1, ..., Qn) is turned on, and p-MOSFET (Q1p) , Q2p, ..., Qnp) are turned off. In this operating state, a current path is formed from the negative DC power supply 11B to the load 12 via a part of the negative side series circuit 2B and a part of the positive side series circuit 2A. In this current path, the n-MOSFET (Qk) operates in the linear region to linearly amplify the input signal bin. The region Ak in FIG. 1B shows the state of linear amplification by this n-MOSFET (Qk).

ここで、フライングキャパシタに保持させる電圧を(n−k)E/nとし、ソース端に(n−k)E/nを印加したMOSFETが線形動作を行う場合には、この線形動作を行うMOSFETのドレイン電位をkE/nとする電流経路が形成される。この電流経路では、各MOSFETのドレイン・ソース間の電圧降下の最大値はE/nとなる。 Here, when the voltage held by the flying capacitor is (n-k) E / n and the MOSFET to which (n-k) E / n is applied to the source end performs linear operation, the MOSFET that performs this linear operation A current path is formed in which the drain potential of is kE / n. In this current path, the maximum value of the voltage drop between the drain and source of each MOSFET is E / n.

また、オフ状態のMOSFETは、フライングキャパシタによってドレイン・ソース間電圧が電源電圧Eの1/nに分圧されるため、耐圧が1/nのMOSFETを用いることができる。 Further, as the MOSFET in the off state, since the drain-source voltage is divided into 1 / n of the power supply voltage E by the flying capacitor, a MOSFET having a withstand voltage of 1 / n can be used.

図2はn個のMOSFETを直列接続したn直列回路の別の構成例を説明するための図である。図2に示す構成例は、図1に示した構成例の入力回路4Aに代えて入力回路4Bを備える。入力回路4Bは、正側直列回路2Aのn−MOSFET(Q1,Q2,…,Qk,…,Qn)及びp−MOSFET(Q1p,Q2p,…,Qkp,…,Qnp)の各ゲート端に対して個別のゲート駆動回路(G,D)8を備える。各ゲート駆動回路8は、接続される各MOSFETのゲート端にそれぞれ異なる入力信号vinを入力する。各ゲート駆動回路(G,D)8は、外部の制御コントローラ(図示していない)から送られたそれぞれ個別の制御信号によって異なる入力信号vinを各MOSFETに入力する。 FIG. 2 is a diagram for explaining another configuration example of an n-series circuit in which n MOSFETs are connected in series. The configuration example shown in FIG. 2 includes an input circuit 4B instead of the input circuit 4A of the configuration example shown in FIG. The input circuit 4B is provided for each gate end of the n-MOSFET (Q1, Q2, ..., Qk, ..., Qn) and p-MOSFET (Q1p, Q2p, ..., Qkp, ..., Qnp) of the positive series circuit 2A. A separate gate drive circuit (G, D) 8 is provided. Each gate drive circuit 8 inputs a different input signal bin to the gate end of each connected MOSFET. Each gate drive circuit (G, D) 8 inputs to each MOSFET an input signal bin that differs depending on each individual control signal sent from an external control controller (not shown).

ゲート駆動回路8を各MOSFETのゲート端に接続することによって、フライングキャパシタの電圧バランスの制御や、各MOSFETでの損失を均一化する制御が可能となる。 By connecting the gate drive circuit 8 to the gate end of each MOSFET, it is possible to control the voltage balance of the flying capacitor and control to equalize the loss in each MOSFET.

図3は本発明の線形増幅器による変換効率の向上を説明するための図である。図3は、従来のダイオードを用いたダイオードクランプ形線形増幅回路(DCLA:Diode Clamped Linear Amplifier)と本発明のフライングキャパシタを備えた線形増幅器(FCLA:Flying-Capacitor Linear Amplifier)との出力電圧を模式的に示している。 FIG. 3 is a diagram for explaining the improvement of conversion efficiency by the linear amplifier of the present invention. FIG. 3 illustrates the output voltage between a diode-clamped linear amplifier (DCLA) using a conventional diode and a linear amplifier (FCLA: Flying-Capacitor Linear Amplifier) equipped with a flying capacitor of the present invention. Is shown.

DCLAの場合には、出力の電流経路中にダイオードが存在するため、このダイオードのオン電圧降下分によって電圧が降下する。これに対して、本発明のフライングキャパシタを備えた線形増幅器(FCLA)によればダイオードによる損失分が発生しないため、DCLAと比較して高い変換効率が得られる。 In the case of DCLA, since a diode exists in the current path of the output, the voltage drops due to the on-voltage drop of this diode. On the other hand, according to the linear amplifier (FCLA) provided with the flying capacitor of the present invention, the loss due to the diode does not occur, so that high conversion efficiency can be obtained as compared with DCLA.

(2直列回路による構成)
次に、一方の極性の直列回路が2つのMOSFETで構成される2直列回路の構成例、及び動作例について図4〜図7を用いて説明する。図4は2直列回路の一構成例を示している。
(Composition with 2 series circuits)
Next, a configuration example and an operation example of the two series circuit in which the series circuit of one polarity is composed of two MOSFETs will be described with reference to FIGS. 4 to 7. FIG. 4 shows a configuration example of a two-series circuit.

図4に示す構成例において、線形増幅器1Aは、2個のn−MOSFET(Q1,Q2)が直列接続された正側直列回路2A、及び2個のp−MOSFET(Q3,Q4)が直列接続された負側直列回路2Bを備え、n−MOSFET(Q1)のソース端とp−MOSFET(Q4)のソース端との間にフライングキャパシタ3(C0)が接続され、n−MOSFET(Q1,Q2)及びp−MOSFET(Q3,Q4)のゲート端には入力回路4Aが接続され、共通の入力信号vinが入力される。 In the configuration example shown in FIG. 4, the linear amplifier 1A is a positive series circuit 2A in which two n-MOSFETs (Q1 and Q2) are connected in series, and two p-MOSFETs (Q3 and Q4) are connected in series. The negative side series circuit 2B is provided, and the flying capacitor 3 (C0) is connected between the source end of the n-MOSFET (Q1) and the source end of the p-MOSFET (Q4), and the n-MOSFET (Q1, Q2) is connected. ) And p-MOSFET (Q3, Q4), an input circuit 4A is connected to the gate end, and a common input signal bin is input.

また、n−MOSFET(Q1)のドレイン端には正側直流電源11Aの正極が接続されて電圧E/2が印加され、p−MOSFET(Q4)のドレイン端には負側直流電源11Bの負極が接続されて電圧E/2が負方向に印加される。 Further, the positive electrode of the positive DC power supply 11A is connected to the drain end of the n-MOSFET (Q1) and a voltage E / 2 is applied, and the negative electrode of the negative DC power supply 11B is applied to the drain end of the p-MOSFET (Q4). Is connected and the voltage E / 2 is applied in the negative direction.

図5(a),(b)は、図4に示す2直列回路の線形増幅器1Aの動作例を示し、図5(c)は入力信号vinを示している。この動作例では、電源電圧を正極側及び負極側をそれぞれE/2とし、フライングキャパシタC0の保持電圧をE/2としている。また、図6(a)は入力信号vinを示し、図6(b)は出力電圧voutを示し、図6(c),(d)はn−MOSFET(Q1)及びp−MOSFET(Q4)のドレイン・ソース間電圧VQ1,VQ4を示し、図6(e),(f)はn−MOSFET(Q2)及びp−MOSFET(Q3)のドレイン・ソース間電圧VQ2,VQ3を示している。 5 (a) and 5 (b) show an operation example of the linear amplifier 1A of the two series circuit shown in FIG. 4, and FIG. 5 (c) shows the input signal bin. In this operation example, the power supply voltage is set to E / 2 on the positive electrode side and the negative electrode side, respectively, and the holding voltage of the flying capacitor C0 is set to E / 2. Further, FIG. 6 (a) shows an input signal vin, FIG. 6 (b) shows an output voltage vout, and FIGS. 6 (c) and 6 (d) show n-MOSFET (Q1) and p-MOSFET (Q4). The drain-source voltages VQ1 and VQ4 are shown, and FIGS. 6 (e) and 6 (f) show the drain-source voltages VQ2 and VQ3 of the n-MOSFET (Q2) and p-MOSFET (Q3).

図5(a)に示す動作例は、入力信号vinが図5(c)及び図6(a)中の符号Aの範囲にあるときの動作を示し、正側直列回路2Aが電流経路となる状態を示している。入力信号vinが0<vin<E/2の範囲では、n−MOSFET(Q2)はオン状態(図6(e))、p−MOSFET(Q3,Q4)はオフ状態となり、n−MOSFET(Q1)は線形領域で動作する(図6(c))。これにより、直流電源から正側直列回路2Aを介して負荷に流れる電流経路が形成され、入力信号vin(図6(a))はn−MOSFET(Q1)によって線形増幅される(図6(b))。 The operation example shown in FIG. 5 (a) shows the operation when the input signal bin is in the range of the reference numeral A in FIGS. 5 (c) and 6 (a), and the positive series circuit 2A serves as the current path. Indicates the state. In the range where the input signal bin is 0 <vin <E / 2, the n-MOSFET (Q2) is in the on state (FIG. 6 (e)), the p-MOSFET (Q3, Q4) is in the off state, and the n-MOSFET (Q1) is in the off state. ) Operates in the linear region (FIG. 6 (c)). As a result, a current path is formed from the DC power supply to the load via the positive series circuit 2A, and the input signal bin (FIG. 6 (a)) is linearly amplified by the n-MOSFET (Q1) (FIG. 6 (b). )).

一方、図5(b)に示す動作例は、入力信号vinが図5(c)及び図6(a)中の符号Bの範囲の動作であり、負側直列回路2Bが電流経路となる状態を示している。入力信号vinが−E/2<vin<0の範囲にあるときは、n−MOSFET(Q1,Q2)はオフ状態(図6(c),(e))、p−MOSFET(Q3)はオン状態となり(図6(f))、p−MOSFET(Q4)は線形領域で動作する(図6(d))。これにより、負荷から負側直列回路2Bを介して負極側から直流電源に流れる電流経路が形成され、入力信号vinはp−MOSFET(Q4)によって線形増幅される。 On the other hand, in the operation example shown in FIG. 5 (b), the input signal bin is the operation in the range of the reference numeral B in FIGS. 5 (c) and 6 (a), and the negative series circuit 2B serves as the current path. Is shown. When the input signal bin is in the range of -E / 2 <vin <0, the n-MOSFET (Q1, Q2) is in the off state (FIGS. 6 (c) and 6 (e)), and the p-MOSFET (Q3) is on. In the state (FIG. 6 (f)), the p-MOSFET (Q4) operates in the linear region (FIG. 6 (d)). As a result, a current path is formed from the load to the DC power supply from the negative electrode side via the negative side series circuit 2B, and the input signal bin is linearly amplified by the p-MOSFET (Q4).

なお、上記した動作例は負荷が純抵抗である場合を示し、電流経路を流れる電流の方向は、入力信号vinが正電圧であるときは正側直列回路2Aを電流経路とする正電流が流れ、入力信号vinが負電圧であるときは負側直列回路2Bを電流経路とする負電流が流れる。図5(d)は負荷を純抵抗とした場合の電流状態を模式的に示している。 The above operation example shows a case where the load is a pure resistance, and the direction of the current flowing through the current path is such that when the input signal bin is a positive voltage, a positive current flowing through the positive series circuit 2A as the current path. When the input signal bin is a negative voltage, a negative current flows through the negative series circuit 2B as the current path. FIG. 5D schematically shows the current state when the load is a pure resistance.

これに対して、負荷が純抵抗ではなく、インダクタンス成分やキャパシタンス成分を有している場合にはフライングキャパシタを経由する経路となる。図7(b)は、負側直列回路2B、フライングキャパシタCc、及び正側直列回路2Aを経由して、負電圧入力で正電流出力となる電流経路を示している。なお、図7(b)は図5に示す例とフライングキャパシタの電圧値が異なる場合を示しており、ここではフライングキャパシタを経由する電流経路の一例として挙げている。 On the other hand, when the load has an inductance component or a capacitance component instead of a pure resistance, the path is via a flying capacitor. FIG. 7B shows a current path that becomes a positive current output at the negative voltage input via the negative side series circuit 2B, the flying capacitor Cc, and the positive side series circuit 2A. Note that FIG. 7B shows a case where the voltage value of the flying capacitor is different from the example shown in FIG. 5, and is given here as an example of a current path passing through the flying capacitor.

インダクタンス成分やキャパシタンス成分を有した負荷では、電圧と電流との間に位相差により異なる電流経路で動作し、入力信号vinが正電圧であるときに負側直列回路2Bを電流経路とする負電流が流れ、入力信号vinが負電圧であるときに正側直列回路2Aを電流経路とする正電流が流れる動作に限らず、入力信号vinが正電圧であるときに正側直列回路2Aを電流経路とする正電流が流れ、入力信号vinが負電圧であるときに負側直列回路2Bを電流経路とする負電流が流れる動作となる場合もある。 A load having an inductance component or a capacitance component operates in a different current path due to a phase difference between the voltage and the current, and when the input signal bin is a positive voltage, the negative current with the negative series circuit 2B as the current path. Is flowing, and the current path is not limited to the operation in which the positive current flows through the positive series circuit 2A as the current path when the input signal bin is a negative voltage, but the current path is passed through the positive series circuit 2A when the input signal bin is a positive voltage. In some cases, a positive current flows and a negative current flows through the negative series circuit 2B as a current path when the input signal bin is a negative voltage.

図5(e)は、負荷が誘導性であるときの電流状態を示している。誘導性負荷によって遅れ電流となるため、入力信号vinが正電圧となった時点から遅れて負電流から正電流に切り替わり、入力信号vinが負電圧となった時点から遅れて正電流から負電流に切り替わる。 FIG. 5 (e) shows the current state when the load is inductive. Since a delayed current is generated by the inductive load, the negative current is switched to the positive current with a delay from the time when the input signal bin becomes a positive voltage, and the positive current is changed to a negative current with a delay from the time when the input signal bin becomes a negative voltage. Switch.

図7(a),(b)は、図4(a)に示す2直列回路の線形増幅器1Aの別の動作例を示し、図7(c)は入力信号vinを示している。この動作例では、電源電圧を正極側及び負極側をそれぞれE/2とし、フライングキャパシタC0の保持電圧をE/4としている。 7 (a) and 7 (b) show another operation example of the linear amplifier 1A of the two series circuit shown in FIG. 4 (a), and FIG. 7 (c) shows the input signal bin. In this operation example, the power supply voltage is set to E / 2 on the positive electrode side and the negative electrode side, respectively, and the holding voltage of the flying capacitor C0 is set to E / 4.

図7(a)に示す動作例は、入力信号vinが図7(c)中の符号Cの範囲で、かつ、正電流の動作を示し、正側直列回路2Aが電流経路となる状態を示している。入力信号vinがE/2<vin<Eの範囲にあるときは、n−MOSFET(Q2)はオン状態、p−MOSFET(Q3,Q4)はオフ状態となり、n−MOSFET(Q1)は線形領域で動作する。これにより、直流電源から正側直列回路2Aを介して負荷に流れる電流経路が形成され、入力信号vinはn−MOSFET(Q1)によって線形増幅される。 The operation example shown in FIG. 7A shows a state in which the input signal bin is in the range of the symbol C in FIG. 7C, the operation of the positive current is shown, and the positive series circuit 2A serves as the current path. ing. When the input signal vin is in the range of E / 2 <vin <E, the n-MOSFET (Q2) is in the on state, the p-MOSFET (Q3, Q4) is in the off state, and the n-MOSFET (Q1) is in the linear region. Works with. As a result, a current path flowing from the DC power supply to the load via the positive series circuit 2A is formed, and the input signal bin is linearly amplified by the n-MOSFET (Q1).

一方、図7(b)に示す動作例は、入力信号vinが図7(c)中の符号Dの範囲の動作で、かつ、負電流の動作を示し、負側直列回路2Bが電流経路となる状態を示している。入力信号vinが0<vin<E/2の範囲にあるときは、n−MOSFET(Q1)及びp−MOSFET(Q3)はオフ状態、p−MOSFET(Q4)はオン状態となり、n−MOSFET(Q2)は線形領域で動作する。これにより、直流電源から負側直列回路2B及び正側直列回路2Aを介して負荷に流れる電流経路が形成され、入力信号vinはn−MOSFET(Q2)によって線形増幅される。 On the other hand, in the operation example shown in FIG. 7 (b), the input signal bin is the operation in the range of the symbol D in FIG. 7 (c) and shows the operation of the negative current, and the negative side series circuit 2B is the current path. Indicates the state of When the input signal win is in the range of 0 <vin <E / 2, the n-MOSFET (Q1) and p-MOSFET (Q3) are in the off state, the p-MOSFET (Q4) is in the on state, and the n-MOSFET (n-MOSFET) Q2) operates in the linear region. As a result, a current path is formed from the DC power supply to the load via the negative side series circuit 2B and the positive side series circuit 2A, and the input signal bin is linearly amplified by the n-MOSFET (Q2).

入力信号vinが図7(c)中の符号Dの範囲では、図7(a),(b)の何れの動作モードとなるかは負荷条件によって変わる。負荷が純抵抗であるときには、正電圧の場合には図7(a)の動作モードとなり、負電圧の場合には図7(b)の動作モードとなる。一方、負荷がインダクタンス成分やキャパシタンス成分を含むときには、電圧と電流との間に位相差により異なる電流経路で動作するため、図7(a),(b)の両方の動作モードを取り得る。 In the range of the code D in FIG. 7 (c), which of the operation modes of FIGS. 7 (a) and 7 (b) is used depends on the load condition. When the load is a pure resistance, the operation mode shown in FIG. 7A is used when the load is positive, and the operation mode shown in FIG. 7B is used when the load is negative voltage. On the other hand, when the load contains an inductance component and a capacitance component, it operates in different current paths due to the phase difference between the voltage and the current, so that both operation modes of FIGS. 7A and 7B can be taken.

(3直列回路,4直列回路による構成)
次に、一方の極性の直列回路が3つのMOSFETあるいは4つのMOSFETで構成される3直列回路、4直列回路の構成例、及び動作例について図8〜図13を用いて説明する。図8は4直列回路の一構成例を示し、図9,図10は4直列回路の一動作例を示し、図11,図12は4直列回路の別に動作例を示し、図13は3直列回路の構成例を示している。
(Composition of 3 series circuit and 4 series circuit)
Next, a configuration example and an operation example of the three-series circuit and the four-series circuit in which the series circuit of one polarity is composed of three MOSFETs or four MOSFETs will be described with reference to FIGS. 8 to 13. FIG. 8 shows a configuration example of a four-series circuit, FIGS. 9 and 10 show an operation example of the four-series circuit, FIGS. 11 and 12 show an operation example of the four-series circuit separately, and FIG. 13 shows three series. A configuration example of the circuit is shown.

図8に示す構成例において、線形増幅器1Bは、4個のn−MOSFET(Q1〜Q4)が直列接続された正側直列回路2A、及び4個のp−MOSFET(Q5〜Q8)が直列接続された負側直列回路2Bを備え、n−MOSFET(Q1)のソース端とp−MOSFET(Q8)のソース端との間にフライングキャパシタ3(C1)が接続され、n−MOSFET(Q2)のソース端とp−MOSFET(Q7)のソース端との間にフライングキャパシタ3(C2)が接続され、n−MOSFET(Q3)のソース端とp−MOSFET(Q6)のソース端との間にフライングキャパシタ3(C3)が接続され、n−MOSFET(Q1〜Q4)及びp−MOSFET(Q5〜Q8)のゲート端には入力回路4Aが接続され、共通の入力信号vinが入力される。 In the configuration example shown in FIG. 8, the linear amplifier 1B has a positive series circuit 2A in which four n-MOSFETs (Q1 to Q4) are connected in series, and four p-MOSFETs (Q5 to Q8) in series. The negative-side series circuit 2B is provided, and the flying capacitor 3 (C1) is connected between the source end of the n-MOSFET (Q1) and the source end of the p-MOSFET (Q8). The flying capacitor 3 (C2) is connected between the source end and the source end of the p-MOSFET (Q7), and flying between the source end of the n-MOSFET (Q3) and the source end of the p-MOSFET (Q6). The capacitor 3 (C3) is connected, the input circuit 4A is connected to the gate end of the n-MOSFET (Q1 to Q4) and the p-MOSFET (Q5 to Q8), and a common input signal bin is input.

なお、n−MOSFET(Q1)のドレイン端には正側直流電源11Aの正極が接続されて電圧E/2が印加され、p−MOSFET(Q8)のドレイン端には負側直流電源11Bの負極が接続されて電圧E/2が負方向に印加される例を示している。 The positive electrode of the positive DC power supply 11A is connected to the drain end of the n-MOSFET (Q1) and a voltage E / 2 is applied, and the negative electrode of the negative DC power supply 11B is applied to the drain end of the p-MOSFET (Q8). Is connected and the voltage E / 2 is applied in the negative direction.

図9(a)〜(d)は、図8に示す4直列回路の線形増幅器1Bの動作例を示している。この動作例は、入力信号vinを正極側及び負極側でそれぞれ2つの電圧範囲に分け、各電圧範囲に対応する線形領域で線形増幅させる例である。 9 (a) to 9 (d) show an operation example of the linear amplifier 1B of the four series circuit shown in FIG. This operation example is an example in which the input signal bin is divided into two voltage ranges on the positive electrode side and the negative electrode side, and linearly amplified in the linear region corresponding to each voltage range.

電源電圧を正極側及び負極側をそれぞれE/2とし、フライングキャパシタC1の保持電圧を3E/4、フライングキャパシタC2の保持電圧を2E/4、及びフライングキャパシタC3の保持電圧をE/4としている。また、図10(a)は入力信号vinを示し、図10(b)は出力電圧voutを示し、図10(c)はn−MOSFET(Q1)のドレイン・ソース間電圧VQ1を示し、図10(d)はn−MOSFET(Q2)のドレイン−ソース間電圧VQ2を示し、図10(e)はn−MOSFET(Q3)のドレイン・ソース間電圧VQ3を示し、図10(f)はn−MOSFET(Q4)のドレイン・ソース間電圧VQ4を示している。 The power supply voltage is E / 2 on the positive electrode side and the negative electrode side, respectively, the holding voltage of the flying capacitor C1 is 3E / 4, the holding voltage of the flying capacitor C2 is 2E / 4, and the holding voltage of the flying capacitor C3 is E / 4. .. Further, FIG. 10A shows an input signal vin, FIG. 10B shows an output voltage vout, FIG. 10C shows a drain-source voltage VQ1 of the n-MOSFET (Q1), and FIG. (D) shows the drain-source voltage VQ2 of the n-MOSFET (Q2), FIG. 10 (e) shows the drain-source voltage VQ3 of the n-MOSFET (Q3), and FIG. 10 (f) shows the n- The drain-source voltage VQ4 of the MOSFET (Q4) is shown.

以下、入力信号vinが、E/4<vin<E/2の範囲(以下電圧範囲Aとする)、0<vin<E/4の範囲(以下電圧範囲Bとする)、−E/4<vin<0範囲(以下電圧範囲Cとする)、及び−E/2<vin<−E/4の範囲(以下電圧範囲Dとする)の各電圧範囲にある場合について示す。 Hereinafter, the input signal bin is in the range of E / 4 <vin <E / 2 (hereinafter referred to as voltage range A), 0 <vin <E / 4 (hereinafter referred to as voltage range B), and −E / 4 <. The case where it is in each voltage range of vin <0 range (hereinafter referred to as voltage range C) and -E / 2 <vin <-E / 4 (hereinafter referred to as voltage range D) is shown.

電圧範囲A:
図9(a)に示す動作状態は、入力信号VinがE/4<vin<E/2の範囲であるときの動作を示し、正側直列回路2Aが電流経路となる状態を示している。入力信号vinがE/4<vin<E/2の範囲にあるときは、n−MOSFET(Q2〜Q4)はオン状態(図10(d)〜図10(f))、p−MOSFET(Q5〜Q8)はオフ状態となり、n−MOSFET(Q1)は線形領域で動作する(図10(c))。これにより、直流電源から正側直列回路2Aを介して負荷に流れる電流経路が形成され、入力信号vin(図10(a))はn−MOSFET(Q1)によって線形増幅される(図10(b))。
Voltage range A:
The operating state shown in FIG. 9A shows the operation when the input signal Vin is in the range of E / 4 <vin <E / 2, and shows the state in which the positive series circuit 2A serves as the current path. When the input signal vin is in the range of E / 4 <vin <E / 2, the n-MOSFET (Q2 to Q4) is in the ON state (FIGS. 10 (d) to 10 (f)), and the p-MOSFET (Q5). ~ Q8) is turned off, and the n-MOSFET (Q1) operates in the linear region (FIG. 10 (c)). As a result, a current path is formed from the DC power supply to the load via the positive series circuit 2A, and the input signal bin (FIG. 10 (a)) is linearly amplified by the n-MOSFET (Q1) (FIG. 10 (b). )).

電圧範囲B:
図9(b)に示す動作状態は、入力信号vinが0<vin<E/4の範囲であるときの動作を示し、正側直列回路2A及び負側直列回路2Bが電流経路となる状態を示している。入力信号vinが0<vin<E/4の範囲にあるときは、n−MOSFET(Q3,Q4)はオン状態(図10(e),図10(f))、p−MOSFET(Q8)はオン状態、n−MOSFET(Q1)はオフ状態(図10(c))、p−MOSFET(Q5〜Q7)はオフ状態となり、n−MOSFET(Q2)は線形領域で動作する(図10(d))。これにより、直流電源から負側直列回路2B及び正側直列回路2Aを介して負荷に流れる電流経路が形成され、入力信号vin(図10(a))はn−MOSFET(Q2)によって線形増幅される(図10(b))。
Voltage range B:
The operating state shown in FIG. 9B shows the operation when the input signal bin is in the range of 0 <vin <E / 4, and the state in which the positive side series circuit 2A and the negative side series circuit 2B serve as the current path is defined. Shown. When the input signal vin is in the range of 0 <vin <E / 4, the n-MOSFET (Q3, Q4) is in the ON state (FIGS. 10 (e) and 10 (f)), and the p-MOSFET (Q8) is in the on state. On state, n-MOSFET (Q1) is off state (FIG. 10 (c)), p-MOSFET (Q5 to Q7) is off state, and n-MOSFET (Q2) operates in the linear region (FIG. 10 (d)). )). As a result, a current path is formed from the DC power supply to the load via the negative side series circuit 2B and the positive side series circuit 2A, and the input signal bin (FIG. 10 (a)) is linearly amplified by the n-MOSFET (Q2). (Fig. 10 (b)).

電圧範囲C:
図9(c)に示す動作状態は、入力信号vinが−E/4<vin<0の範囲であるときの動作を示し、正側直列回路2A及び負側直列回路2Bが電流経路となる状態を示している。入力信号vinが−E/4<vin<0の範囲にあるときの動作は、電圧範囲Bで示した動作を極性反転させた動作に相当する。p−MOSFET(Q5,Q6)はオン状態、n−MOSFET(Q1)はオン状態(図10(c))、p−MOSFET(Q8)はオフ状態、n−MOSFET(Q2〜Q4)はオフ状態(図10(d)〜(f))となり、p−MOSFET(Q7)は線形領域で動作する。これにより、負荷から負側直列回路2B及び正側直列回路2Aを介して直流電源に流れる電流経路が形成され、入力信号vin(図10(a))はp−MOSFET(Q7)によって線形増幅される。
Voltage range C:
The operating state shown in FIG. 9C shows the operation when the input signal bin is in the range of −E / 4 <vin <0, and the positive side series circuit 2A and the negative side series circuit 2B serve as the current path. Is shown. The operation when the input signal bin is in the range of −E / 4 <vin <0 corresponds to the operation in which the polarity of the operation shown in the voltage range B is reversed. The p-MOSFET (Q5, Q6) is in the on state, the n-MOSFET (Q1) is in the on state (FIG. 10 (c)), the p-MOSFET (Q8) is in the off state, and the n-MOSFET (Q2 to Q4) is in the off state. (FIGS. 10 (d) to (f)), and the p-MOSFET (Q7) operates in the linear region. As a result, a current path is formed from the load to the DC power supply via the negative side series circuit 2B and the positive side series circuit 2A, and the input signal bin (FIG. 10A) is linearly amplified by the p-MOSFET (Q7). To.

電圧範囲D:
図9(d)に示す動作状態は、入力信号vinが−E/2<vin<−E/4の範囲であるときの動作を示し、負側直列回路2Bが電流経路となる状態を示している。入力信号vinが−E/2<vin<−E/4の範囲にあるときの動作は、電圧範囲Aで示した動作を極性反転させた動作に相当する。p−MOSFET(Q5〜Q7)はオン状態、n−MOSFET(Q1〜Q4)はオフ状態(図10(c)〜(f))となり、p−MOSFET(Q8)は線形領域で動作する。これにより、負荷から負側直列回路2Bを介して直流電源に流れる電流経路が形成され、入力信号vin(図10(a))はp−MOSFET(Q8)によって線形増幅される。
Voltage range D:
The operating state shown in FIG. 9D shows an operation when the input signal bin is in the range of −E / 2 <vin <−E / 4, and shows a state in which the negative series circuit 2B serves as a current path. There is. The operation when the input signal bin is in the range of −E / 2 <vin <−E / 4 corresponds to the operation in which the polarity of the operation shown in the voltage range A is reversed. The p-MOSFETs (Q5 to Q7) are in the on state, the n-MOSFETs (Q1 to Q4) are in the off state (FIGS. 10 (c) to (f)), and the p-MOSFET (Q8) operates in the linear region. As a result, a current path is formed from the load to the DC power supply via the negative series circuit 2B, and the input signal bin (FIG. 10A) is linearly amplified by the p-MOSFET (Q8).

図11,図12は、4直列回路の線形増幅器1Bの別の動作例を示している。図11に示す4直列回路は、図8に示した4直列回路と同様の回路構成において、フライングキャパシタ3(C1,C2,C3)に保持させる電圧を異ならせることによって、図9で示した動作例とは異なる入力信号vinの電圧範囲に対応する線形領域で線形増幅を行わせる。 11 and 12 show another operation example of the linear amplifier 1B of the four series circuit. The four-series circuit shown in FIG. 11 has the same circuit configuration as the four-series circuit shown in FIG. 8, and the operation shown in FIG. 9 is performed by making the voltage held by the flying capacitors 3 (C1, C2, C3) different. The linear amplification is performed in the linear region corresponding to the voltage range of the input signal win different from the example.

図9で示した動作例は、入力信号vinを正極側及び負極側においてそれぞれ2つの電圧範囲に分けて線形増幅を行わせる場合であるのに対して、図11,12に示す動作例は、入力信号vinを正極側及び負極側においてそれぞれ3つの電圧範囲に分けて線形増幅を行わせる場合を示している。 The operation example shown in FIG. 9 is a case where the input signal bin is divided into two voltage ranges on the positive electrode side and the negative electrode side to perform linear amplification, whereas the operation examples shown in FIGS. 11 and 12 are The case where the input signal bin is divided into three voltage ranges on the positive electrode side and the negative electrode side and linear amplification is performed is shown.

この動作例では、フライングキャパシタ3(C1〜C3)に保持させる電圧について、C1の保持電圧を(5E1/3)、C2の保持電圧を電圧(4E1/3),C3の保持電圧を(E1)として、入力信号vinの範囲を3の電圧範囲に分けて線形増幅を行わせる。 In this operation example, regarding the voltage to be held by the flying capacitors 3 (C1 to C3), the holding voltage of C1 is (5E1 / 3), the holding voltage of C2 is the voltage (4E1 / 3), and the holding voltage of C3 is (E1). As a result, the range of the input signal bin is divided into three voltage ranges to perform linear amplification.

図12(a)〜(c)は入力信号vinが正電圧である区間における動作状態を示し、図12(d)は入力信号vin及び線形増幅を行わせる3つの電圧範囲(A〜C)を示している。 12 (a) to 12 (c) show the operating state in the section where the input signal vin is a positive voltage, and FIG. 12 (d) shows the input signal vin and three voltage ranges (A to C) for linear amplification. Shown.

以下、入力信号vinが、2E1/3<vin<E1の範囲(以下電圧範囲Aとする)、E1/3<vin<2E1/3の範囲(以下電圧範囲Bとする)、及び0<vin<E1/3の範囲(以下電圧範囲Cとする)の各電圧範囲について示す。 Hereinafter, the input signal bin is in the range of 2E1 / 3 <vin <E1 (hereinafter referred to as voltage range A), E1 / 3 <vin <2E1 / 3 (hereinafter referred to as voltage range B), and 0 <vin <. Each voltage range in the range of E1 / 3 (hereinafter referred to as voltage range C) is shown.

電圧範囲A:
図12(a)に示す動作状態は、入力信号vinが2E1/3<vin<E1の範囲であるときの動作を示し、正側直列回路2Aが電流経路となる状態を示している。入力信号vinが2E1/3<vin<E1の範囲にあるときは、n−MOSFET(Q2〜Q4)はオン状態、p−MOSFET(Q5〜Q8)はオフ状態となり、n−MOSFET(Q1)は線形領域で動作する。これにより、直流電源から正側直列回路2Aを介して負荷に流れる電流経路が形成され、入力信号vinはn−MOSFET(Q1)によって線形増幅される。
Voltage range A:
The operating state shown in FIG. 12A shows an operation when the input signal bin is in the range of 2E1 / 3 <vin <E1, and shows a state in which the positive series circuit 2A serves as a current path. When the input signal win is in the range of 2E1 / 3 <vin <E1, the n-MOSFET (Q2 to Q4) is in the on state, the p-MOSFET (Q5 to Q8) is in the off state, and the n-MOSFET (Q1) is in the off state. Operates in the linear region. As a result, a current path flowing from the DC power supply to the load via the positive series circuit 2A is formed, and the input signal bin is linearly amplified by the n-MOSFET (Q1).

電圧範囲B:
図12(b)に示す動作状態は、入力信号vinがE1/3<vin<2E1/3の範囲であるときの動作を示し、正側直列回路2A及び負側直列回路2Bが電流経路となる状態を示している。入力信号vinがE1/3<vin<2E1/3の範囲にあるときは、n−MOSFET(Q3,Q4)はオン状態、p−MOSFET(Q8)はオン状態、n−MOSFET(Q1)はオフ状態、p−MOSFET(Q5〜Q7)はオフ状態となり、n−MOSFET(Q2)は線形領域で動作する。これにより、直流電源から負側直列回路2B及び正側直列回路2Aを介して負荷に流れる電流経路が形成され、入力信号vinはn−MOSFET(Q2)によって線形増幅される。
Voltage range B:
The operating state shown in FIG. 12B shows an operation when the input signal bin is in the range of E1 / 3 <vin <2E1 / 3, and the positive series circuit 2A and the negative series circuit 2B serve as the current path. Indicates the state. When the input signal win is in the range of E1 / 3 <vin <2E1 / 3, n-MOSFET (Q3, Q4) is on, p-MOSFET (Q8) is on, and n-MOSFET (Q1) is off. In the state, p-MOSFETs (Q5 to Q7) are turned off, and n-MOSFETs (Q2) operate in the linear region. As a result, a current path is formed from the DC power supply to the load via the negative side series circuit 2B and the positive side series circuit 2A, and the input signal bin is linearly amplified by the n-MOSFET (Q2).

電圧範囲C:
図12(c)に示す動作例は、入力信号vinが0<vin<E1/3の範囲であるときの動作を示し、正側直列回路2A及び負側直列回路2Bが電流経路となる状態を示している。入力信号vinが0<vin<E1/3の範囲にあるときは、n−MOSFET(Q4)はオン状態、p−MOSFET(Q7,Q8)はオン状態、n−MOSFET(Q1,Q2)はオフ状態、p−MOSFET(Q5,Q6)はオフ状態となり、n−MOSFET(Q3)は線形領域で動作する。これにより、直流電源から負側直列回路2B及び正側直列回路2Aを介して負荷に流れる電流経路が形成され、入力信号vinはn−MOSFET(Q3)によって線形増幅される。
Voltage range C:
The operation example shown in FIG. 12C shows an operation when the input signal bin is in the range of 0 <vin <E1 / 3, and shows a state in which the positive side series circuit 2A and the negative side series circuit 2B serve as a current path. Shown. When the input signal bin is in the range of 0 <vin <E1 / 3, the n-MOSFET (Q4) is on, the p-MOSFET (Q7, Q8) is on, and the n-MOSFET (Q1, Q2) is off. In the state, the p-MOSFETs (Q5 and Q6) are turned off, and the n-MOSFETs (Q3) operate in the linear region. As a result, a current path is formed from the DC power supply to the load via the negative side series circuit 2B and the positive side series circuit 2A, and the input signal bin is linearly amplified by the n-MOSFET (Q3).

次に、3直列回路の構成例を示す。図13(b)は3直列回路の構成例を示し、図13(a)は図13(b)の3直列回路と比較するために4直列回路の構成例を示している。 Next, a configuration example of the three series circuit is shown. FIG. 13 (b) shows a configuration example of the three series circuit, and FIG. 13 (a) shows a configuration example of the four series circuit for comparison with the three series circuit of FIG. 13 (b).

図13(b)に示す3直列回路の線形増幅器1Cの構成例は、3個のn−MOSFET(Q1〜Q3)が直列接続された正側直列回路2A、及び3個のp−MOSFET(Q4〜Q6)が直列接続された負側直列回路2Bを備え、n−MOSFET(Q1)のソース端とp−MOSFET(Q6)のソース端との間にフライングキャパシタ3(C1)が接続され、n−MOSFET(Q2)のソース端とp−MOSFET(Q5)のソース端との間にフライングキャパシタ3(C2)が接続され、n−MOSFET(Q1〜Q3)及びp−MOSFET(Q4〜Q6)のゲート端には共通の入力信号vinが入力される。 In the configuration example of the linear amplifier 1C of the three series circuit shown in FIG. 13B, the positive series circuit 2A in which three n-MOSFETs (Q1 to Q3) are connected in series and the three p-MOSFETs (Q4). ~ Q6) is provided with a negative series circuit 2B connected in series, and a flying capacitor 3 (C1) is connected between the source end of the n-MOSFET (Q1) and the source end of the p-MOSFET (Q6). A flying capacitor 3 (C2) is connected between the source end of the −MOSFET (Q2) and the source end of the p-MOSFET (Q5), and the n-MOSFET (Q1 to Q3) and the p-MOSFET (Q4 to Q6) are connected. A common input signal bin is input to the gate end.

直流電源の電圧をE1としたとき、フライングキャパシタ3の保持電圧として、例えば、フライングキャパシタ3(C1)の電圧を3E1/4、フライングキャパシタ3(C2)の電圧を2E1/4とすることによって、波高値E1の入力信号vinを、0<vin<E1/2の電圧範囲とE1/2<vin<E1の電圧範囲の2つの電圧範囲において線形増幅させることができる。 When the voltage of the DC power supply is E1, the holding voltage of the flying capacitor 3 is, for example, 3E1 / 4 for the flying capacitor 3 (C1) and 2E1 / 4 for the flying capacitor 3 (C2). The input signal vin of the peak value E1 can be linearly amplified in two voltage ranges of 0 <vin <E1 / 2 and E1 / 2 <vin <E1.

なお、図13(a)に示した4直列回路の線形増幅器1Bの構成例において、各直列回路2A,2Bの出力端側に接続されるn−MOSFET(Q4)及びp−MOSFET(Q5)のドレイン・ソース間に印加される電圧は最大でE1/4となる。これに対して、図13(b)に示す3直列回路の線形増幅器1Cの構成例では、各直列回路2A,2Bの出力端側に接続されるn−MOSFET(Q3)及びp−MOSFET(Q4)のドレイン・ソース間に印加される電圧は最大で2E1/4(=E1/2)となるため、3直列回路の線形増幅器1Cの構成例のMOSFETは、4直列回路の線形増幅器1Bの構成例と比較して2倍の耐圧が必要である。 In the configuration example of the linear amplifier 1B of the four series circuit shown in FIG. 13 (a), the n-MOSFET (Q4) and the p-MOSFET (Q5) connected to the output end side of the series circuits 2A and 2B are The maximum voltage applied between the drain and source is E1 / 4. On the other hand, in the configuration example of the linear amplifier 1C of the three series circuit shown in FIG. 13B, the n-MOSFET (Q3) and p-MOSFET (Q4) connected to the output end side of each series circuit 2A and 2B. ), The maximum voltage applied between the drain and source is 2E1 / 4 (= E1 / 2). Therefore, the MOSFET of the configuration example of the linear amplifier 1C of the 3-series circuit is the configuration of the linear amplifier 1B of the 4-series circuit. A withstand voltage twice that of the example is required.

(5直列回路,6直列回路による構成)
次に、一方の極性の直列回路が5つのMOSFETあるいは6つのMOSFETで構成される5直列回路、6直列回路の構成例、及び動作例について図14〜図17を用いて説明する。図14は6直列回路の一構成例を示し、図15,図16は6直列回路の一動作例を示し、図17は5直列回路の構成例を示している。
(Composition of 5 series circuit and 6 series circuit)
Next, a five-series circuit in which one polarity series circuit is composed of five MOSFETs or six MOSFETs, a configuration example of the six-series circuit, and an operation example will be described with reference to FIGS. 14 to 17. FIG. 14 shows a configuration example of a 6-series circuit, FIGS. 15 and 16 show an operation example of the 6-series circuit, and FIG. 17 shows a configuration example of the 5-series circuit.

図14に示す構成例において、線形増幅器1Dは、6個のn−MOSFET(Q1〜Q6)が直列接続された正側直列回路2A、及び6個のp−MOSFET(Q7〜Q12)が直列接続された負側直列回路2Bを備え、n−MOSFET(Q1)のソース端とp−MOSFET(Q12)のソース端との間にフライングキャパシタ3(C1)が接続され、n−MOSFET(Q2)のソース端とp−MOSFET(Q11)のソース端との間にフライングキャパシタ3(C2)が接続され、n−MOSFET(Q3)のソース端とp−MOSFET(Q10)のソース端との間にフライングキャパシタ3(C3)が接続され、n−MOSFET(Q4)のソース端とp−MOSFET(Q9)のソース端との間にフライングキャパシタ3(C4)が接続され、n−MOSFET(Q5)のソース端とp−MOSFET(Q8)のソース端との間にフライングキャパシタ3(C5)が接続され、n−MOSFET(Q1〜Q6)及びp−MOSFET(Q7〜Q12)のゲート端には共通の入力信号vinが入力される。 In the configuration example shown in FIG. 14, the linear amplifier 1D has a positive series circuit 2A in which six n-MOSFETs (Q1 to Q6) are connected in series, and six p-MOSFETs (Q7 to Q12) in series. The negative-side series circuit 2B is provided, and the flying capacitor 3 (C1) is connected between the source end of the n-MOSFET (Q1) and the source end of the p-MOSFET (Q12). The flying capacitor 3 (C2) is connected between the source end and the source end of the p-MOSFET (Q11), and flying between the source end of the n-MOSFET (Q3) and the source end of the p-MOSFET (Q10). The capacitor 3 (C3) is connected, the flying capacitor 3 (C4) is connected between the source end of the n-MOSFET (Q4) and the source end of the p-MOSFET (Q9), and the source of the n-MOSFET (Q5). A flying capacitor 3 (C5) is connected between the end and the source end of the p-MOSFET (Q8), and a common input is applied to the gate ends of the n-MOSFET (Q1 to Q6) and p-MOSFET (Q7 to Q12). The signal Vin is input.

また、n−MOSFET(Q1)のドレイン端には正側直流電源11Aの正極が接続されて電圧E1が印加され、p−MOSFET(Q12)のドレイン端には負側直流電源11Bの負極が接続されて電圧E2が負方向に印加される。 Further, the positive electrode of the positive DC power supply 11A is connected to the drain end of the n-MOSFET (Q1) and the voltage E1 is applied, and the negative electrode of the negative DC power supply 11B is connected to the drain end of the p-MOSFET (Q12). Then, the voltage E2 is applied in the negative direction.

図15(a)〜(c)は、図14に示す6直列回路の線形増幅器1Dの動作例を示している。この動作例は、入力信号vinを正極側及び負極側でそれぞれ3つの電圧範囲に分け、各電圧範囲に対応する線形領域で線形増幅させる例である。図16はこの動作例での入力信号vin(図16(a))、出力電圧vout(図16(b))、n−MOSFET(Q1〜Q6)のドレイン・ソース間電圧VQ1〜VQ6(図16(c)〜(f))を示している。なお、図15(a)〜(c)は、入力信号Vinが正電圧である範囲を3つの電圧範囲に分けて行う動作例を示し、図16は直流電源の電圧E1,E2の大きさをE/2とし、入力電圧の波高値をE/2とした場合を示している。 15 (a) to 15 (c) show an operation example of the linear amplifier 1D of the 6-series circuit shown in FIG. This operation example is an example in which the input signal bin is divided into three voltage ranges on the positive electrode side and the negative electrode side, and linearly amplified in the linear region corresponding to each voltage range. FIG. 16 shows the input signal bin (FIG. 16 (a)), the output voltage vout (FIG. 16 (b)), and the drain-source voltage VQ1 to VQ6 (FIG. 16) of the n-MOSFETs (Q1 to Q6) in this operation example. (C) to (f)) are shown. 15 (a) to 15 (c) show an operation example in which the range in which the input signal Vin is a positive voltage is divided into three voltage ranges, and FIG. 16 shows the magnitudes of the DC power supply voltages E1 and E2. The case where E / 2 is set and the peak value of the input voltage is E / 2 is shown.

以下、図14に示す線形増幅器1Dにおいて、直流電源の電圧を正極側及び負極側をそれぞれE/2とし、フライングキャパシタC1の保持電圧を5E/6、フライングキャパシタC2の保持電圧を4E/6、フライングキャパシタC3の保持電圧を3E/6とし、フライングキャパシタC4の保持電圧を2E/6とし、フライングキャパシタC5の保持電圧をE/6とし、入力信号vinが、E/3<vin<E/2の範囲(以下電圧範囲Aとする)、E/6<vin<E/3の範囲(以下電圧範囲Bとする)、0<vin<E/6の範囲(以下電圧範囲Cとする)の各電圧範囲について示す。 Hereinafter, in the linear amplifier 1D shown in FIG. 14, the voltage of the DC power supply is set to E / 2 on the positive side and the negative side, respectively, the holding voltage of the flying capacitor C1 is 5E / 6, and the holding voltage of the flying capacitor C2 is 4E / 6. The holding voltage of the flying capacitor C3 is 3E / 6, the holding voltage of the flying capacitor C4 is 2E / 6, the holding voltage of the flying capacitor C5 is E/6, and the input signal bin is E / 3 <vin <E / 2. Range (hereinafter referred to as voltage range A), E / 6 <vin <E / 3 range (hereinafter referred to as voltage range B), 0 <vin <E / 6 range (hereinafter referred to as voltage range C) The voltage range is shown.

電圧範囲A:
図15(a)に示す動作状態は、入力信号vinがE/3<vin<E/2の範囲であるときの動作を示し、正側直列回路2Aが電流経路となる状態を示している。入力信号vinがE/3<vin<E/2の範囲にあるときは、n−MOSFET(Q2〜Q6)はオン状態(図16(d)〜図16(f))、p−MOSFET(Q7〜Q12)はオフ状態となり、n−MOSFET(Q1)は線形領域で動作する(図16(c))。これにより、直流電源から正側直列回路2Aを介して負荷に流れる電流経路が形成され、入力信号vin(図16(a))はn−MOSFET(Q1)によって線形増幅される(図16(b))。
Voltage range A:
The operating state shown in FIG. 15A shows an operation when the input signal bin is in the range of E / 3 <vin <E / 2, and shows a state in which the positive series circuit 2A serves as a current path. When the input signal vin is in the range of E / 3 <vin <E / 2, the n-MOSFET (Q2 to Q6) is in the ON state (FIGS. 16 (d) to 16 (f)) and the p-MOSFET (Q7). ~ Q12) is turned off, and the n-MOSFET (Q1) operates in the linear region (FIG. 16 (c)). As a result, a current path is formed from the DC power supply to the load via the positive series circuit 2A, and the input signal bin (FIG. 16 (a)) is linearly amplified by the n-MOSFET (Q1) (FIG. 16 (b). )).

電圧範囲B:
図15(b)に示す動作状態は、入力信号vinがE/6<vin<E/3の範囲であるときの動作を示し、正側直列回路2A及び負側直列回路2Bが電流経路となる状態を示している。入力信号vinがE/6vin<E/3の範囲にあるときは、n−MOSFET(Q3〜Q6)はオン状態(図16(e),(f))、p−MOSFET(Q12)はオン状態、n−MOSFET(Q1)はオフ状態(図16(c))、p−MOSFET(Q7〜Q12)はオフ状態となり、n−MOSFET(Q2)は線形領域で動作する(図16(d))。これにより、直流電源から負側直列回路2B及び正側直列回路2Aを介して負荷に流れる電流経路が形成され、入力信号vin(図16(a))はn−MOSFET(Q2)によって線形増幅される(図16(b))。
Voltage range B:
The operating state shown in FIG. 15B shows an operation when the input signal bin is in the range of E / 6 <vin <E / 3, and the positive side series circuit 2A and the negative side series circuit 2B serve as the current path. Indicates the state. When the input signal win is in the range of E / 6vin <E / 3, the n-MOSFET (Q3 to Q6) is in the on state (FIGS. 16 (e) and (f)), and the p-MOSFET (Q12) is in the on state. , N-MOSFET (Q1) is in the off state (FIG. 16 (c)), p-MOSFET (Q7 to Q12) is in the off state, and n-MOSFET (Q2) operates in the linear region (FIG. 16 (d)). .. As a result, a current path that flows from the DC power supply to the load via the negative side series circuit 2B and the positive side series circuit 2A is formed, and the input signal bin (FIG. 16A) is linearly amplified by the n-MOSFET (Q2). (Fig. 16 (b)).

電圧範囲C:
図15(c)に示す動作状態は、入力信号vinが0<vin<E/6の範囲であるときの動作を示し、正側直列回路2A及び負側直列回路2Bが電流経路となる状態を示している。入力信号vinが0<vin<E/6の範囲にあるときは、n−MOSFET(Q4〜Q6)はオン状態(図16(f))、p−MOSFET(Q11,Q12)はオン状態、n−MOSFET(Q1,Q2)はオフ状態(図16(c),(d))、p−MOSFET(Q7〜Q10)はオフ状態となり、n−MOSFET(Q3)は線形領域で動作する(図16(e))。これにより、直流電源から負側直列回路2B及び正側直列回路2Aを介して負荷に流れる電流経路が形成され、入力信号vin(図16(a))はn−MOSFET(Q3)によって線形増幅される(図16(b))。
Voltage range C:
The operating state shown in FIG. 15C shows the operation when the input signal bin is in the range of 0 <vin <E / 6, and the state in which the positive side series circuit 2A and the negative side series circuit 2B serve as the current path is defined. Shown. When the input signal vin is in the range of 0 <vin <E / 6, the n-MOSFET (Q4 to Q6) is in the on state (FIG. 16 (f)), the p-MOSFET (Q11, Q12) is in the on state, and n. -MOSFETs (Q1, Q2) are in the off state (FIGS. 16 (c) and (d)), p-MOSFETs (Q7 to Q10) are in the off state, and n-MOSFET (Q3) operates in the linear region (FIG. 16). (E)). As a result, a current path flowing from the DC power supply to the load via the negative side series circuit 2B and the positive side series circuit 2A is formed, and the input signal bin (FIG. 16A) is linearly amplified by the n-MOSFET (Q3). (Fig. 16 (b)).

図15,16に示した6直列回路の動作例では、入力信号vinを一方の極側で3つの電圧範囲に分けて線形増幅を行っているが、電圧範囲の分割数は3に限らず、2、4、及び5の分割数によって線形増幅を行うことができる。 In the operation example of the 6-series circuit shown in FIGS. 15 and 16, the input signal bin is divided into three voltage ranges on one pole side for linear amplification, but the number of divisions in the voltage range is not limited to three. Linear amplification can be performed by the number of divisions of 2, 4, and 5.

次に、5直列回路の構成例について図17を用いて示す。図17に示す5直列回路の線形増幅器1Eの構成例は、5個のn−MOSFET(Q1〜Q5)が直列接続された正側直列回路2A、及び5個のp−MOSFET(Q6〜Q10)が直列接続された負側直列回路2Bを備え、n−MOSFET(Q1)のソース端とp−MOSFET(Q10)のソース端との間にフライングキャパシタ3(C1)が接続され、n−MOSFET(Q2)のソース端とp−MOSFET(Q9)のソース端との間にフライングキャパシタ3(C2)が接続され、n−MOSFET(Q3)のソース端とp−MOSFET(Q8)のソース端との間にフライングキャパシタ3(C3)が接続され、n−MOSFET(Q4)のソース端とp−MOSFET(Q7)のソース端との間にフライングキャパシタ3(C4)が接続され、n−MOSFET(Q1〜Q5)及びp−MOSFET(Q6〜Q10)のゲート端には共通の入力信号vinが入力される。 Next, a configuration example of the 5-series circuit is shown with reference to FIG. In the configuration example of the linear amplifier 1E of the 5-series circuit shown in FIG. 17, the positive series circuit 2A in which five n-MOSFETs (Q1 to Q5) are connected in series, and five p-MOSFETs (Q6 to Q10) The negative-side series circuit 2B is connected in series, and the flying capacitor 3 (C1) is connected between the source end of the n-MOSFET (Q1) and the source end of the p-MOSFET (Q10). The flying capacitor 3 (C2) is connected between the source end of Q2) and the source end of p-MOSFET (Q9), and the source end of n-MOSFET (Q3) and the source end of p-MOSFET (Q8) are connected. The flying capacitor 3 (C3) is connected between them, and the flying capacitor 3 (C4) is connected between the source end of the n-MOSFET (Q4) and the source end of the p-MOSFET (Q7), and the n-MOSFET (Q1) is connected. A common input signal bin is input to the gate ends of ~ Q5) and p-MOSFETs (Q6 to Q10).

直流電源の電圧をE1としたとき、フライングキャパシタ3の保持する電圧として、例えば、フライングキャパシタ3(C1)の電圧を7E1/4、フライングキャパシタ3(C2)の電圧を6E1/4(=3E1/2)、フライングキャパシタ3(C3)の電圧を5E1/4、フライングキャパシタ3(C4)の電圧を4E1/4(=E1)とすることによって、波高値E1の入力信号vinを、0<vin<E1/4の電圧範囲、E1/4<vin<E1/2の電圧範囲、E1/2<vin<3E1/4の電圧範囲、及び3E1/4<vin<E1の電圧範囲の4つの電圧範囲において線形増幅させることができる。 When the voltage of the DC power supply is E1, for example, the voltage of the flying capacitor 3 (C1) is 7E1 / 4, and the voltage of the flying capacitor 3 (C2) is 6E1 / 4 (= 3E1 /). 2) By setting the voltage of the flying capacitor 3 (C3) to 5E1 / 4 and the voltage of the flying capacitor 3 (C4) to 4E1 / 4 (= E1), the input signal vin of the peak value E1 is set to 0 <vin <. In four voltage ranges: E1 / 4 voltage range, E1 / 4 <vin <E1 / 2 voltage range, E1 / 2 <vin <3E1 / 4 voltage range, and 3E1 / 4 <vin <E1 voltage range. It can be linearly amplified.

(線形増幅器の他の構成例)
次に、図18を用いて線形増幅器の他の構成例を説明する。線形増幅器1Fは、正極側あるいは負極側の片側にのみをMOSFETの直列回路とし、他方の側はダイオードの直列回路で構成される。図18(a)〜(c)に示す例は、正極側の直列回路をMOSFETで構成し、負極側の直列回路をダイオードで構成する例を示している。図18(d)は交流を出力する電力変換装置の構成例を示している。
(Other configuration examples of linear amplifier)
Next, another configuration example of the linear amplifier will be described with reference to FIG. The linear amplifier 1F has a MOSFET series circuit on only one side of the positive electrode side or the negative electrode side, and a diode series circuit on the other side. The example shown in FIGS. 18A to 18C shows an example in which the series circuit on the positive electrode side is composed of MOSFETs and the series circuit on the negative electrode side is composed of diodes. FIG. 18D shows a configuration example of a power conversion device that outputs alternating current.

図18(a)に示す動作状態において、n−MOSFET(Q2,Q3,Q4)を飽和状態で動作させてオン状態とし、n−MOSFET(Q1)の線形領域で動作させて入力信号vinを線形増幅させる。 In the operating state shown in FIG. 18A, the n-MOSFETs (Q2, Q3, Q4) are operated in the saturated state to be turned on, and are operated in the linear region of the n-MOSFET (Q1) to linearize the input signal bin. Amplify.

図18(b)に示す動作状態において、n−MOSFET(Q1,Q3,Q4)を飽和状態あるいは遮断領域で動作させ、n−MOSFET(Q3,Q4)をオン状態とし、n−MOSFET(Q1)をオフ状態とし、n−MOSFET(Q2)の線形領域で動作させて入力信号vinを線形増幅させる。 In the operating state shown in FIG. 18 (b), the n-MOSFET (Q1, Q3, Q4) is operated in the saturated state or the cutoff region, the n-MOSFET (Q3, Q4) is turned on, and the n-MOSFET (Q1) is turned on. Is turned off, and the input signal Vin is linearly amplified by operating in the linear region of the n-MOSFET (Q2).

図18(c)に示す動作状態において、n−MOSFET(Q1,Q2,Q4)を飽和状態あるいは遮断領域で動作させ、n−MOSFET(Q4)をオン状態とし、n−MOSFET(Q1,Q2)をオフ状態とし、n−MOSFET(Q3)の線形領域で動作させて入力信号vinを線形増幅させる。上記した各動作状態において、負極側のダイオードの直列回路は電流経路の一部を構成する。なお、線形増幅器1Fの構成においてMOSFETとダイオードの関係を反転させた構成とすることで、負極側の入力信号のみを線形増幅する構成とすることができる。 In the operating state shown in FIG. 18C, the n-MOSFET (Q1, Q2, Q4) is operated in the saturated state or the cutoff region, the n-MOSFET (Q4) is turned on, and the n-MOSFET (Q1, Q2) is turned on. Is turned off, and the input signal Vin is linearly amplified by operating in the linear region of the n-MOSFET (Q3). In each of the above operating states, the series circuit of the diode on the negative electrode side forms a part of the current path. By inverting the relationship between the MOSFET and the diode in the configuration of the linear amplifier 1F, it is possible to linearly amplify only the input signal on the negative electrode side.

線形増幅器1Fは正極側の入力信号のみを線形増幅する構成であり、出力電圧は正電圧のみとなり、負電圧は出力されない。線形増幅器1Fを用いて正電圧及び負電圧の出力電圧を出力する構成例を図18(d)に示す。 The linear amplifier 1F has a configuration in which only the input signal on the positive electrode side is linearly amplified, the output voltage is only a positive voltage, and no negative voltage is output. FIG. 18 (d) shows a configuration example of outputting positive and negative voltage output voltages using the linear amplifier 1F.

図18(d)に示す電力変換装置10は、線形増幅器1Fにフルブリッジインバータ13を接続して構成される。この電力変換装置10によれば、線形増幅器1Fの出力電圧をフルブリッジインバータ13によって半周期毎に反転させることで、正電圧及び負電圧の出力電圧を出力することができる。 The power conversion device 10 shown in FIG. 18D is configured by connecting the full bridge inverter 13 to the linear amplifier 1F. According to the power conversion device 10, the output voltage of the linear amplifier 1F can be inverted every half cycle by the full bridge inverter 13 to output the output voltage of the positive voltage and the negative voltage.

(変換効率)
次に、本発明のフライングキャパシタを用いた線形増幅器(FCLA)と従来提案されているクランプダイオードを用いた線形増幅器(DCLA)との変換効率、及び本発明の線形増幅器における素子直列数と理論変換効率との関係について示す。
(Conversion efficiency)
Next, the conversion efficiency between the linear amplifier (FCLA) using the flying capacitor of the present invention and the linear amplifier (DCLA) using the conventionally proposed clamp diode, and the number of series elements and theoretical conversion in the linear amplifier of the present invention. The relationship with efficiency is shown.

出力電圧voutと出力電流ioutを以下の式(1),(2)のような正弦波としたときのn直列の線形増幅器FCLAの理論変換効率ηFCLA、及びn直列の線形増幅器DCLAの理論変換効率ηDCLAは以下の式(3),(4)で表される。なお、“n”は直列数、&“k”は直列回路を構成する複数のMOSFETの序数である。 Theoretical conversion efficiency of n-series linear amplifier FCLA and n-series linear amplifier DCLA when the output voltage vout and output current iout are sinusoidal as shown in the following equations (1) and (2). ηDCLA is represented by the following equations (3) and (4). Note that "n" is the number of series and & "k" is the ordinal number of a plurality of MOSFETs constituting the series circuit.

vout=(E/2)・sinθ …(1)
iout=Imax・sinθ …(2)
…(3)
…(4)
vout = (E / 2) ・ sinθ… (1)
iout = Imax ・ sinθ… (2)
… (3)
… (4)

ここで、θkはMOSFETQkのオフ状態と能動状態が切り替わる境の位相であり、θ=sin−1{(n−2k)/n}で表される。また、Eは直流電源電圧値、Imaxは電流の最大値、RonはMOSFETのオン抵抗、RESRはフライングキャパシタの等価直列抵抗、VFはクランプダイオードの順方向電圧である。 Here, θk is the phase of the boundary between the off state and the active state of MOSFET Qk, and is represented by θ = sin -1 {(n-2k) / n}. Further, E is the DC power supply voltage value, Imax is the maximum value of the current, Ron is the on-resistance of the MOSFET, RESR is the equivalent series resistance of the flying capacitor, and VF is the forward voltage of the clamp diode.

上記式は以下の条件で導出している。
(a) 線形増幅器FCLAのフライングキャパシタCkの電圧は(n−k)E/nに保たれ、線形増幅器DCLAの直流電源Ekの各電圧はE/nに保たれている。
(b) 各MOSFETのゲートしきい値は0Vである。
(c) 回路構成の対称性を保つため、直列数nは偶数である。
(d) ゲート回路の損失は十分に小さいものとして無視する。
The above equation is derived under the following conditions.
(a) The voltage of the flying capacitor Ck of the linear amplifier FCLA is maintained at (n−k) E / n, and the voltage of the DC power supply Ek of the linear amplifier DCLA is maintained at E / n.
(b) The gate threshold of each MOSFET is 0V.
(c) In order to maintain the symmetry of the circuit configuration, the number of series n is an even number.
(d) The loss of the gate circuit is ignored as it is small enough.

図19は、式(3),(4)を用いた直列数nに対する理論変換効率の関係を示している。図19のTheory、FCLA,及びDCLAの理論変換効率は理論式に基づく計算値であり、Theory(+印で示す)はRon、RESR,VFに起因する損失を考慮しない理想条件(ideal theory)において、主回路のMOSFETの線形動作でのみ発生する損失を基に算出した値である。 FIG. 19 shows the relationship of the theoretical conversion efficiency with respect to the series number n using the equations (3) and (4). The theoretical conversion efficiencies of Theory, FCLA, and DCLA in FIG. 19 are calculated values based on theoretical formulas, and Theory (indicated by +) is under ideal conditions (ideal theory) that do not consider the loss caused by Ron, RESR, and VF. , It is a value calculated based on the loss generated only in the linear operation of the MOSFET of the main circuit.

以下の表1は回路パラメータを示している。
Table 1 below shows the circuit parameters.

ただし、上記した回路パラメータにおいてRonについては素子に100Vが印加された場合に耐圧200V、オン抵抗0.1[Ω]の素子を使用すると仮定し、直列数がnの場合に耐圧が1/nの素子を使用できることからRonは耐圧に正比例させた0.1/n[Ω]としている。表1に示すパラメータ条件では、本発明のフライングキャパシタを用いた線形増幅器FCLAの変換効率はクランプダイオードを用いた線形増幅器DCLAの変換効率を上回っている。 However, in the above circuit parameters, for Ron, it is assumed that an element with a withstand voltage of 200 V and an on-resistance of 0.1 [Ω] is used when 100 V is applied to the element, and the withstand voltage is 1 / n when the number of series is n. Since the element of can be used, Ron is set to 0.1 / n [Ω] which is directly proportional to the withstand voltage. Under the parameter conditions shown in Table 1, the conversion efficiency of the linear amplifier FCLA using the flying capacitor of the present invention exceeds the conversion efficiency of the linear amplifier DCLA using the clamp diode.

図20は直列数nに対する線形増幅器FCLAと線形増幅器DCLAの理論変換効率の差を示すグラフである。直流電源電圧Eと最大電流Imax以外は表1の回路パラメータを用いている。また、直流電源電圧が200Vの場合は、各MOSFETの耐圧を400Vと仮定して、オン抵抗を0.2/n[Ω]としている。 FIG. 20 is a graph showing the difference in theoretical conversion efficiency between the linear amplifier FCLA and the linear amplifier DCLA with respect to the number n in series. The circuit parameters in Table 1 are used except for the DC power supply voltage E and the maximum current Imax. When the DC power supply voltage is 200V, the withstand voltage of each MOSFET is assumed to be 400V, and the on-resistance is 0.2 / n [Ω].

図20は、最大電流値が小さく、直流電源の電圧値が低いほど線形増幅器DCLAより線形増幅器FCLAの変換効率が高いことを示している。このことは、クランプダイオードの損失は電流に比例するのに対して、フライングキャパシタの損失は電流の2乗に比例することから、電流値が小さい場合には線形増幅器FCLAが変換効率において優位であることを示唆している。 FIG. 20 shows that the smaller the maximum current value and the lower the voltage value of the DC power supply, the higher the conversion efficiency of the linear amplifier FCLA than that of the linear amplifier DCLA. This means that the loss of the clamp diode is proportional to the current, whereas the loss of the flying capacitor is proportional to the square of the current, so that the linear amplifier FCLA is superior in conversion efficiency when the current value is small. It suggests that.

一方、直流電源電圧が大きい場合は各MOSFETのオン抵抗が大きくなるため、クランプダイオードを経由することでオン状態のMOSFETの通過素子数を少なくすることができる線形増幅器DCLAが有利であることが示唆される。したがって、線形増幅器FCLAは小容量の変換において線形増幅器DCLAよりも高い変換効率が得られる。 On the other hand, when the DC power supply voltage is large, the on-resistance of each MOSFET increases, suggesting that the linear amplifier DCLA, which can reduce the number of passing elements of the MOSFET in the on state by passing through the clamp diode, is advantageous. Will be done. Therefore, the linear amplifier FCLA can obtain higher conversion efficiency than the linear amplifier DCLA in the conversion of a small capacity.

また、パワーエレクトロニクス機器は、比較的大きな電力を扱うため、変換効率の向上は電力環境に大きく貢献する。 Moreover, since power electronics equipment handles a relatively large amount of electric power, improvement of conversion efficiency greatly contributes to the electric power environment.

また、比較的小容量(例えば、100kW以下程度)のインバータは、電力ベースで市場の半分以上を占める重要なアプリケーションである需要環境を考慮すると、小容量の変換に好適な本発明の線形増幅器FCLAの利用可能性は非常に高い。 In addition, a relatively small capacity (for example, about 100 kW or less) inverter is a linear amplifier FCLA of the present invention suitable for small capacity conversion in consideration of the demand environment, which is an important application that occupies more than half of the market on a power basis. The availability of is very high.

なお、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。 The present invention is not limited to each of the above embodiments. Various modifications can be made based on the gist of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.

本発明の線形増幅器及び電力変換装置は、例えば、太陽光発電用のパワーコンディショナ、比較的小容量のモータ駆動用インバータなどの電力を変換するパワーエレクトロニクス機器全般に対して適用することができる。 The linear amplifier and power conversion device of the present invention can be applied to all power electronics devices that convert power, such as power conditioners for photovoltaic power generation and inverters for driving motors having a relatively small capacity.

1 線形増幅器
1A〜1F 線形増幅器
2 直列回路
2A 正側直列回路
2B 負側直列回路
3 フライングキャパシタ
4,4A,4B 入力回路
5 絶縁電源
6 ゲート抵抗
7 ツェナーダイオード
8 ゲート駆動回路
9in 入力端
9out 出力端
10 電力変換装置
11 直流電源
11A 正側直流電源
11B 負側直流電源
12 負荷
13 フルブリッジインバータ
101 ダイオードクランプ形線形増幅回路
102 直列回路
103 ダイオードクランプ回路
111 直流電源
112 負荷
C0〜C5,Ck フライングキャパシタ
D2〜D7 ダイオード
1 Linear amplifier 1A to 1F Linear amplifier 2 Series circuit 2A Positive side series circuit 2B Negative side series circuit 3 Flying capacitor 4,4A, 4B Input circuit 5 Insulated power supply 6 Gate resistance 7 Zener diode 8 Gate drive circuit 9in Input end 9out Output end 10 Power converter 11 DC power supply 11A Positive side DC power supply 11B Negative side DC power supply 12 Load 13 Full bridge inverter 101 Diode clamp type linear amplification circuit 102 Series circuit 103 Diode clamp circuit 111 DC power supply 112 Load C0 to C5, Ck Flying capacitor D2 ~ D7 diode

Claims (9)

入力信号を線形増幅して出力端から出力する線形増幅器であり、
(a)線形増幅器の出力端に対して少なくとも何れか一方の極側において、2個以上のMOSFETを直列接続した直列回路と、
(b)前記直列回路の各MOSFETのソース端の電位をそれぞれ異なる電位に保持する複数のフライングキャパシタと、
(c)前記各MOSFETのゲート端に入力信号を入力する入力回路と、
を備え、
前記直列回路は、直流電源側の電源入力端と線形増幅器の出力端との間に接続され、
各MOSFETのソース端に各フライングキャパシタが接続され、
各MOSFETのゲート端に前記入力回路が接続され、
各MOSFETは、各フライングキャパシタの電圧が印加されるソース端の電位と入力信号の電圧とにより定まるMOSFETの線形領域において前記入力信号を線形増幅し出力端から出力する、線形増幅器。
It is a linear amplifier that linearly amplifies the input signal and outputs it from the output end.
(A) A series circuit in which two or more MOSFETs are connected in series on at least one pole side with respect to the output end of the linear amplifier.
(B) A plurality of flying capacitors that hold the potential at the source end of each MOSFET of the series circuit at different potentials, and
(C) An input circuit that inputs an input signal to the gate end of each MOSFET and
With
The series circuit is connected between the power input end on the DC power supply side and the output end of the linear amplifier.
Each flying capacitor is connected to the source end of each MOSFET,
The input circuit is connected to the gate end of each MOSFET,
Each MOSFET is a linear amplifier that linearly amplifies the input signal and outputs it from the output end in the linear region of the MOSFET determined by the potential at the source end to which the voltage of each flying capacitor is applied and the voltage of the input signal.
前記各フライングキャパシタの電圧を所定電圧に保持する絶縁電源又は電圧バランス回路を備え、
前記所定電圧は、直列回路の各MOSFETのソース端に設定される基準電圧を、直列回路において接地電圧から正方向あるいは負方向に向かって電圧を加減する電圧である、請求項1に記載の線形増幅器。
An isolated power supply or voltage balance circuit that holds the voltage of each flying capacitor at a predetermined voltage is provided.
The linearity according to claim 1, wherein the predetermined voltage is a voltage that adjusts the reference voltage set at the source end of each MOSFET of the series circuit from the ground voltage to the positive or negative direction in the series circuit. amplifier.
前記直列回路は、線形増幅器の出力端に対して、正極側に正側直列回路、及び負極側に負側直列回路を備え、
前記正側直列回路が備えるMOSFETはn−MOSFETであり、
前記負側直列回路が備えるMOSFETはp−MOSFETであり、
前記各フライングキャパシタの電圧は、直流電源の電圧以内の設定電圧であり、
前記各フライングキャパシタは、当該フライングキャパシタが印加するn−MOSFETとp−MOSFETとの間の両ソース端間に接続され、前記MOSFETのソース端間の電圧を前記設定電圧に保持し、
前記正側直列回路は正電圧を出力し、負側直列回路は負電圧を出力する、請求項1又は2に記載の線形増幅器。
The series circuit includes a positive side series circuit on the positive electrode side and a negative side series circuit on the negative electrode side with respect to the output end of the linear amplifier.
The MOSFET included in the positive series circuit is an n-MOSFET.
The MOSFET included in the negative series circuit is a p-MOSFET.
The voltage of each of the flying capacitors is a set voltage within the voltage of the DC power supply.
Each of the flying capacitors is connected between both source ends between the n-MOSFET and the p-MOSFET applied by the flying capacitor, and holds the voltage between the source ends of the MOSFET at the set voltage.
The linear amplifier according to claim 1 or 2, wherein the positive series circuit outputs a positive voltage and the negative series circuit outputs a negative voltage.
前記入力回路は、前記複数のMOSFETの各ゲート端を接続する接続回路を備え、全ゲート端に共通のゲート電圧を入力する、請求項1から3の何れか一つに記載の線形増幅器。 The linear amplifier according to any one of claims 1 to 3, wherein the input circuit includes a connection circuit for connecting the gate ends of the plurality of MOSFETs and inputs a common gate voltage to all the gate ends. 前記入力回路の接続回路は、ゲート端との間に接続される過電流防止のゲート抵抗、及び/又は、ゲート端とソース端との間に接続されるゲート・ソース間の過電圧防止のツェナーダイオードを備える、請求項4に記載の線形増幅器。 The connection circuit of the input circuit is an overcurrent prevention gate resistor connected between the gate end and / or an overvoltage prevention Zener diode between the gate and source connected between the gate end and the source end. The linear amplifier according to claim 4. 前記入力回路は、前記複数のMOSFETの各ゲート端に個別にゲート駆動回路を接続し、各ゲート端に個別のゲート電圧を入力する請求項1から3の何れか一つに記載の線形増幅器。 The linear amplifier according to any one of claims 1 to 3, wherein the input circuit individually connects a gate drive circuit to each gate end of the plurality of MOSFETs and inputs an individual gate voltage to each gate end. 前記直列回路は、線形増幅器の出力端に対して、
正側直列回路にMOSFET直列回路、負極側にダイオードを直列接続してなるダイオード直列回路を備え、
又は、
正側直列回路にダイオードを直列接続してなるダイオード直列回路、負極側にMOSFET直列回路を備え、
前記正側直列回路が備えるMOSFETはn−MOSFETであり、
前記負側直列回路が備えるMOSFETはp−MOSFETであり、
正極側のMOSFET直列回路は正電圧を出力し、負極側のMOSFET直列回路は負電圧を出力する、請求項1又は2に記載の線形増幅器。
The series circuit is relative to the output end of the linear amplifier.
A MOSFET series circuit is provided on the positive side series circuit, and a diode series circuit is provided by connecting a diode in series on the negative electrode side.
Or
A diode series circuit consisting of a diode connected in series to the positive side series circuit, and a MOSFET series circuit on the negative electrode side.
The MOSFET included in the positive series circuit is an n-MOSFET.
The MOSFET included in the negative series circuit is a p-MOSFET.
The linear amplifier according to claim 1 or 2, wherein the MOSFET series circuit on the positive electrode side outputs a positive voltage, and the MOSFET series circuit on the negative electrode side outputs a negative voltage.
直流電源と、
請求項1から7の何れか一つに記載の線形増幅器と、
を備え、
前記直流電源は、
前記線形増幅器の正側直列回路の高電圧側と接地電位との間に接続される正側直流電源、及び前記線形増幅器の負側直列回路の低電圧側と接地電位との間に接続される負側直流電源の2つの直流電源、
又は、
前記線形増幅器の負側直列回路の低電圧側を接地電位とし、当該接地電位と前記線形増幅器の正側直列回路の高電圧側との間に接続される1つの直流電源
であり、
前記線形増幅器の出力端を電力変換装置の出力端として直流電圧を電力変換する、電力変換装置。
DC power supply and
The linear amplifier according to any one of claims 1 to 7.
With
The DC power supply
A positive DC power supply connected between the high voltage side of the positive series circuit of the linear amplifier and the ground potential, and a connection between the low voltage side of the negative series circuit of the linear amplifier and the ground potential. Two DC power supplies on the negative side DC power supply,
Or
One DC power supply connected between the ground potential and the high voltage side of the positive series circuit of the linear amplifier, with the low voltage side of the negative series circuit of the linear amplifier as the ground potential.
A power conversion device that converts DC voltage into power by using the output end of the linear amplifier as the output end of the power conversion device.
前記線形増幅器の出力端と電力変換装置の出力端との間に接続されたフルブリッジインバータを備え、
前記フルブリッジインバータは、前記正極側のMOSFET直列回路の出力、又は前記負極側のMOSFET直列回路の出力の何れか一方の出力を反転させて出力する、請求項8に記載の電力変換装置。
A full-bridge inverter connected between the output end of the linear amplifier and the output end of the power converter is provided.
The power conversion device according to claim 8, wherein the full bridge inverter inverts and outputs either the output of the MOSFET series circuit on the positive electrode side or the output of the MOSFET series circuit on the negative electrode side.
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