JPH04159804A - 高効率d級電圧スイッチング電力増幅器用駆動装置 - Google Patents

高効率d級電圧スイッチング電力増幅器用駆動装置

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JPH04159804A
JPH04159804A JP2413091A JP41309190A JPH04159804A JP H04159804 A JPH04159804 A JP H04159804A JP 2413091 A JP2413091 A JP 2413091A JP 41309190 A JP41309190 A JP 41309190A JP H04159804 A JPH04159804 A JP H04159804A
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power amplifier
switching
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voltage
switching devices
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Sayed-Amr A El-Hamamsy
セイド−アムル アーメス エル−ハマムシイ
George Jernakoff
ジョージ ジャーナコフ
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
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    • H03F3/20Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
    • H03F3/21Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only
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  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
[0001]
【関連出願】
本出願は、本出願と同時に出願した、コールマンその他
による装置及び回路が収納された“ハーフブリッジ装置
パッケージ゛’  (1989年12月21日こ出願さ
れた米国特許願第077454,550号)と、エル−
)zマムシ−その他による“ランプバラス)”  (1
989年12月21日に出願された米国特許願第07/
454,549号)に関連するものである。 [0002]
【産業上の利用分野】
本発明は、一般に高効率電力増幅器に関し、特に、高効
率、高周波り級電圧スイッチング電力増幅器に関する。 [0003]
【発明の背景】
D級電力増幅器は、方形波信号を形成する単極双投スイ
ッチのような2つのアクティブスイッチング装置を使用
する。出力負荷ネットワークは、その装置のスイッチン
グ周波数に変換される共振回路を含んでおり、従って、
方形波信号の調波を移動させ、正弦波信号として出力す
る。D級電力増幅器には、電圧スイッチングタイプと電
流スイッチングタイプの2つのタイプがある。電圧スイ
ッチングタイプにおいては、スイッチング装置は電源と
直列に接続され、供給電圧は個々の入力間で交互に切り
換えられる。電流スイッチングタイプにおいては、スイ
ッチング装置を並列若しくはプッシュプル配置で使用し
、供給電流はそれらの間で交互に切り換えられる。両タ
イプとも、D級電力増幅器のスイッチング装置が、他方
がターンオフしている間に一方が伝導するように、カッ
トオフと飽和の間で交互に駆動された後は、逆にD級電
力増幅器が方形波信号によって丁度良く駆動される。入
力分離変圧器は、周知のように2つの位相外れ駆動信号
を供給するために使用される。 [0004] 低周波におけるスイッチング電力ロスは、一般にD級電
力増幅器にとっては無視できる。しかしながら、高周波
動作状態においては、スイッチングロスは重大であり、
これにより性能が低下する。特に、電圧スイッチング増
幅器にとっては、他のスイッチング装置の出力容量を放
電する各スイッチング装置によって消費される電力は、
動作周波数の増加に伴って増加する。更に、周波数が増
加すると方形波駆動信号の高調波に移行し易い分離変圧
器は、もつと複雑化する必要がある。前記不都合がD級
電力増幅器の到達可能な性能の上限(例えば、低電力適
用の場合に高周波の80%、高電力適用の場合に高周波
の70%以下)を画してしまうと一般に解釈されている
。 [0005]
【発明の目的】
従って、本発明の目的は、装置のスイッチングロスを減
少させ、これによって性能が向上する新規且つ高性能の
電圧スイッチシフ9級電力増幅器の駆動装置を提供する
ことにある。 [00061 本発明の他の目的は、正弦波入力信号を供給し、且つ効
率アップのために、−方のスイッチング装置のターンオ
フと他方のスイッチング装置のターンオン間の移行時間
を有効に活用できるD級電力増幅器の駆動装置を提供す
ることにある。 [0007] 本発明の更に他の目的は、スイッチング移行時間を制御
することにより、何れの動作周波数においても効率アッ
プが図れるD級電力増幅器の駆動装置を提供することに
ある。 [0008]
【課題を解決するための手段及び作用】すなわち、本発
明の上述した目的とその他の目的は、入力正弦波電力信
号を供給し、高い動作周波数と共に、従来の装置より効
率アップを図るためにハーフブリッジの2つのアクティ
ブ装置をスイッチングする間の移行時間をコントロール
する電圧スイッチシフ9級電力増幅器の新規な駆動装置
内において達成される。 特に、本発明の駆動装置は、容量性ゲートを有し/”s
−ツブリッジ配列内に接続された2つのスイッチング装
置を使用する電圧スイッチングD級電力増幅器を駆動す
るのに有用である。本発明によれば、スイッチング装置
の出力容量、スイッチング装置の閾電圧、電力出力要求
及び負荷ネ・ノドワークのインピーダンスG二応じて移
行時間が有効に活用される。特に、上述した変数に応じ
、スイッチング装置の入力における電圧信号、すなわち
、ゲート−ソース間電圧信号の振幅を制御することによ
り、移行時間を特定の用途に最適化でき、スイッチング
ロスを実質的にゼロに減少させる。 [0009]
【実施例】
本発明の特徴及び利点は、以下に図面とともに説明され
た実施例により明らかになる。 [0010] 図1は、従来の電圧スイッチングD級電力増幅器10を
示す。2つの電力スイッチング装置Ql、Q2は、ハー
フブリッジ配列内において直流電源VDD1に直列に接
続されている。スイッチング装置Ql、Q2は、MOS
−FETのように示されている力板絶縁ゲートバイポー
ラトランジスタ(IGBT)や、MO3制御サイリスタ
(MCT)のような容量性ゲートを有する他のタイプの
スイッチング装置を使用しても良い。スイッチング装置
Ql、Q2は何れも出力寄生容量C03SI” 03S
2 (破線によって示されている)と、入力寄生容量C
,C,(IssI’   l5S2 破線によって示されている)をそれぞれ備えている。イ
ンダクターLoとコンデンサCを有する直列共振回路と
、負荷抵抗R0とを含んだ負荷ネットワークはスイッチ
ング装置Ql、Q2の接点においてハーフブリッジに接
続されてl、)る。極一般的な駆動回路12は、方形波
入力信号を生成し、且つ分離変圧器14によってMOS
−FETのQl、Q2のゲートと結合される。分離変圧
器14は、180°位相外れの方形波電圧信号によって
スイッチング装置Ql、Q2を駆動する。理想的には、
方形波電圧信号が直列共振回路に供給されることが望ま
しい。実際には、有限のスイッチング移行時間のせいで
、この電圧信号は一般に台形になる。適当に同調された
共振回路においては、スイッチング周波数においてすア
クタンスがゼロとなり、負荷抵抗R0を通過する出力信
号は正弦波となる。 [0011] スイッチング装置Q1若しくはQ2の個々のターンオン
の間、各々のエネルギーは他の他方のスイッチング装置
の出力容量C又はCo552にそれぞれ蓄積さSSL れる。スイッチング装置Ql、Q2がオフになると、他
方のスイッチング装置の出力容量に蓄積されていたエネ
ルギーが放出される。移行時間(デッドタイム)tdは
、一方の装置をオフしてから他方の装置をオンするまで
の時間である。低周波数においては、出力容量の放電に
依存するデッドタイムta間のエネルギー損失は無視し
得る。しかしながら、周波数が増加するにしたがって、
このエネルギー損失が重大になる。 [0012] 本発明によれば、D級電力増幅器は正弦波駆動装置によ
って駆動され、デッドタイムtdはゼロ電圧スイッチン
グを供給するために有効に活用され、これによって高周
波数帯においてもエネルギー効率が向上する。この中に
使用されているように、ゼロ電圧スイッチングという言
葉は、装置に印加される電圧がゼロ、そこを流れる電流
がゼロの状態でのオン−オフ切り換え、すなわちロスの
ないスイッチング状態と定義される。 [0013] 図2に示されているように、本発明の高効率駆動装置1
6の実施例は、高効率E級電力増幅器より成る。図のよ
うに、E級電力増幅器16は、直流電源V9,2と直接
に接続された単駆動スイッチング装置Q3を使用してい
る。スイッチング装置Q3は、スイッチング装置Ql、
Q2のように、MOSFETであっても良い。スイッチ
ング装置Q3のドレーンに接続された直列共振回路は、
インダクタンスL1と負荷に接続された容量、すなわち
D級電力増幅器10とを含んでいる。好ましくは、イン
ダクタンスL1は、駆動装置16とE級電力増幅器10
とをつなぐ分離変圧器T1の漏れインダクタンスを含む
。寄生インダクタンスを使用することにより、駆動装置
のサイズをコンパクトにでき、効率アップが図れる。 直列共振回路の容量は、阻止容量Cと、変圧器T1の一
次コイルに反射されるブロッキング)容量Cb1は、そ
こへの直流電圧の印加を阻止することにより、変量は、
実際上は寄生容量C,C,の結合による反射容量と一致
する。E級1SS1° tss2 電力増幅器は、スイッチング装置Q3のドレーン電流を
十分に一定に維持することを保証するために、更にRF
チョークを備えている。少なくともスイッチング装置Q
3の出力寄生容量部分を含む容量C8は、スイッチング
装置Q3を分岐するために使用される。駆動スイッチン
グ装置Q3は、例えば13.56MH7程度の高周波数
(無電極高輝度放電ランプ用の0級バラストを駆動する
に適当な周波数)において、正弦波パワー信号を生成す
る発振器18によって駆動される。 十分な高品質要素Qにより、E級駆動回路からの出力電
圧は正弦波となる。 [0014] 図3Aには、変圧器T1を介して図示されたE級駆動回
路とともに、D級増幅器を駆動する結果得られる180
°位相外れ正弦波ゲートソース電圧波形VGS、■  
(それぞれ振幅vP)が示されている(図2参照)。ス
イッチング装置Ql、Q2は理想的なものではなく、こ
のなめ、これらの装置がオンできる前に達しなければな
らない閾電圧vTを有している。スイッチング装置Q1
のオフと02のオンの間に発生する移行時間taが、図
3に示されている。本発明によれば、この後説明するよ
うに、ゼロ電圧スイッチングを達成するために、この移
行時間tdを有効に活用している。 [0015] 図3Bには、図2のD級増幅器のスイッチング装置Q2
のドレーン電圧波形V(t)、すなわち、2つのスイッ
チング装置Ql、Q2の間の接点における電圧を表すグ
ラフが示されている。この電圧波形は通常は台形である
。移行時間tdは、図示されているように、台形電圧の
最高値から最低値までの移行と又はその逆の移行に必要
な時間である。図4には、また電圧波形V (t)に対
応する基本成分波形V、(t)が示されている。基本成
分波形V、、(t)の振幅V、は以下のような式によっ
て求められる。 [0016]
【数1】 ロードインピーダンス角Φ して求められる。 [0017]
【数2】 (ラジアン) は、 以下のように移行時間tdO項と [0018] 図30は、図2のD級増幅器のゼロ電圧スイッチングを
達成するための状態における、出力ロード電流波形i 
 (t)が電圧波形V (t)を示したグラフである。 特に、本発明によれば、電圧波形V (t)と電流波形
i  (t)がゼロ点で交差した時にスイッチングが行
われるように、移行時間tdが有効に活用される。この
ようにして、それぞれのスイッチング装置の出力容量が
スイッチングの瞬間に確実に放電され、これにより無損
失のスイッチングが行われる。以下に示す数式流■1と
した場合の、電圧スイッチング式り級電力増幅器のスイ
ッチング装置の出力容量Co55の放電を示している。 [0019] 、特開平4−159804 (10) r数3】 本発明においては、出力容量C、Cスイッチング装置の
閾電圧VTO8S10SS2゛ 電力出力要求及び共振負荷ネットワークのインピーダン
スに応じて、ゲート−有効に活用する。特に、 出力電力Poは以下のように求められる。 [00203
【数4] 更に、 上記積分式(数3) と項の整理によって、 直流電源電圧■DDは以下のよ うに求められる。 [0021] 【数5】 式(数1)、(数4)  (数5)は、以下のようなり
級電力増幅器のピーク出力電流工、を求める式を算出す
るために解かれる。 [0022]
【数6】 図4には、図2のD級電力増幅器10のスイッチング装
置Ql、Q2用のインターナショナル−レフティファイ
ヤー社製のI RF 140−M2S−FETタイプの
直流電源電圧V  に対するピーク出力電流■1の値を
示すグラフが示されDDI ている。図4のグラフから、供給電圧VDDIとピーク
出力電流の値を含んだ動作点が導かれる。特に、IRF
140−MOS−FETタイプの安全動作点は、限定領
域19内に見出される。図5と図6は、それぞれI R
F 140−M2S−FETタイプの最適な移行時間t
 に対するピーク出力電流11と直流供給電圧■DDI
の関係を示すグラフである。図4〜図6は、式(数1)
〜(数6)を用いて作成される。 [0023] 2つの移行時間曲線、すなわち図5及び図6の間に挿入
することにより、最適移行時間t が選択された動作点
、すなわちピーク出力電流11と直流供給電圧間t の
提供が要求されたゲートソース電圧信号v  、■  
の振幅■、を以d                 
           GSI    GS2下の式に
基づいて設定できる。 [0024]
【数7】 最後に、要求動作周波数で振幅V を有するゲートソー
ス電圧信号v、■P                
 G5lG52を形成するための入力信号を生成する発
振器18の設計については周知である。 [0025] 高周波数り級電力増幅器の第2の実施例は、図7に示さ
れているように、他のD級増幅器20を備えており、こ
のD級増幅器20においては、正弦波ゲートソース電圧
信号の振幅が、移行時間tdが本発明の本質により有効
に活用されるように制御される。このようなり級駆動回
路は、ハーフブリッジ配列内で直流電源vDD3と直列
に接続された2つのスイッチング装置Q4.Q5を備え
ている。直列共振回路は、スイッチング装置Q4.Q5
の間の接合点に接続においてハーフブリッジと接続され
ている。直列共振回路は、スイッチング装置Q4.Q5
の入力寄生容量C,C,のために、インダクタンスL 
と、阻止容量Cb2と反1SS1’   1ss2  
              1射容量の直列結合とを
備えている。阻止容量Cは容量C,C,の結合のb2 
   1SS1° ISSま ために一般に反射容量に比べて太きいため、直列共振回
路の容量は結果的に寄生容量C,C,の総反射容量に等
しくなる。インダクタンスL1は、好ましl5S1’ 
  1ss2 くは分離変圧器T1の漏れインダクタンスを備える。D
級駆動回路は発振器24により変圧器22を介して駆動
される。 [0026] 以上のように本発明の一実施例を説明したが、本発明は
このような実施例に何ら限定されるものではなく、本発
明の範囲を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能であ
る。従って、本発明は特許請求の範囲によってのみ限定
される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の電圧スイッチングD級電力増幅器の概略図である
【図2】 本発明の第1実施例に係るD級電力増幅器及びその駆動
回路を示す概略図である。
【図3A] 図2のD級電力増幅器の動作を説明するのに有用な電圧
。 フである。 【図3B] 図2のD級電力増幅器の動作を説明するのに有用な電圧
。 電流波形を示すグラ 電流波形を示すグラ フである。 【図3C] 図2のD級電力増幅器の動作を説明するのに有用な電圧
、電流波形を示すグラフである。 【図4】 図2に示されたようなり級電力増幅器に使用されるI 
RF 140−M2S−FETタイプ用の直流電力供給
電圧に対する出力電流ピークを示すグラフである。
【図5】 図2に示されたようなり級電力増幅器に使用されるI 
RF 140−M2S−FETタイプ用の最適移行時間
に対する直流電力供給電圧を示すグラフである。
【図6】 図2に示されたようなり級電力増幅器に使用されるI 
RF 140−M2S−FETタイプ用の最適移行時間
に対する出力電流ピークを示すグラフである。
【図7】 本発明の第2実施例に係るD級電力増幅器及びその駆動
回路を示す概略図である。
【符号の説明】 電力増幅器 高効率駆動装置 発振器 電力増幅器 変圧器 発振器
【書類名】
【図1】 図面
【図2】
【図3A] ン 【図3B] 【図3C] 【図4】 ○
【図5】 寸
【図6】
【図7】

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ハーフブリッジ配列内で直列接続された第
    1及び第2のスイッチング装置を有し、前記第1及び第
    2のスイッチング装置の接合点に接続された出力共振回
    路を含むタイプであり、前記出力共振回路はインダクタ
    ンスと直列に接続された容量を含み、前記第1及び第2
    のスイッチング装置はそれぞれ入力容量を有する、高効
    率D級電圧スイッチング電力増幅器用駆動装置において
    、前記第1及び第2のスイッチング装置に入力正弦波電
    力信号を供給するための正弦波信号発生手段と、 実質的に無損失のスイッチングを行うために、前記第1
    及び第2のスイッチング装置の一方のターンオフと前記
    第1及び第2のスイッチング装置の他方のターンオンの
    間の移行時間を制御するための前記正弦波信号発生手段
    に関連した手段とを備えたことを特徴とする高効率D級
    電圧スイッチング電力増幅器用駆動装置。
  2. 【請求項2】前記正弦波信号形成手段が、漏れインダク
    タンスを有する変圧器と、それらと並列結合状態で接続
    された分岐容量を有する第3のスイッチング装置を含み
    、前記変圧器によって前記D級電力増幅器と結合される
    E級電力増幅器と、前記並列結合と直列に接続されるR
    Fチョーク手段と、前記第3のスイッチング装置と前記
    RFチョーク手段との接合点に接続され、第2のインダ
    クタンスと直列に接続された第2の容量を含む第2の共
    振回路とを備え、前記移行時間制御手段が、前記第1及
    び第2のスイッチング装置の入力における電圧信号の振
    幅をそれぞれ変化させる手段を備えていることを特徴と
    する請求項1記載の高効率D級電圧スイッチング電力増
    幅器用駆動装置。
  3. 【請求項3】前記第2のインダクタンスが、前記漏れイ
    ンダクタンスを含んでいることを特徴とする請求項2記
    載の高効率D級電圧スイッチング電力増幅器用駆動装置
  4. 【請求項4】前記第2の容量が、前記第1及び第2のス
    イッチング装置の入力容量とそれぞれ直列であり、前記
    変圧器に対して直流電圧の供給を阻止する機能を有する
    阻止(ブロッキング)容量を備えていることを特徴とす
    る請求項2記載の高効率D級電圧スイッチング電力増幅
    器用駆動装置。
  5. 【請求項5】前記正弦波信号形成手段が、漏れインダク
    タンスを有する変圧器によって前記高効率D級電力増幅
    器と結合される第2のD級電力増幅器を備え、当該第2
    のD級電力増幅器はハーフブリッジ配列内において直列
    に接続された第3及び第4のスイッチング装置と、付加
    インダクタンスと直列に接続された付加容量を含む第2
    の共振回路とを備え、前記移行時間制御手段が、前記第
    1及び第2のスイッチング装置の入力における電圧信号
    の振幅をそれぞれ変化させる手段を備えていることを特
    徴とする請求項1記載の高効率D級電圧スイッチング電
    力増幅器用駆動装置。
  6. 【請求項6】前記付加インダクタンスが、前記漏れイン
    ダクタンスを備えていることを特徴とする請求項5記載
    の高効率D級電圧スイッチング電力増幅器用駆動装置。
  7. 【請求項7】前記付加容量が、前記第1及び第2のスイ
    ッチング装置の入力容量とそれぞれ直列であり、前記変
    圧器に対して直流電圧の供給を阻止する機能を有する阻
    止容量を備えていることを特徴とする請求項5記載の高
    効率D級電圧スイッチング電力増幅器用駆動装置。
  8. 【請求項8】前記正弦波形成手段と結合され、前記入力
    正弦波電力信号から180゜の位相外れをもった2つの
    正弦波信号を形成する手段を備え、これら2つの正弦波
    信号が各々前記第1及び第2のスイッチング装置に供給
    されることを特徴とする請求項1記載の高効率D級電圧
    スイッチング電力増幅器用駆動装置。
  9. 【請求項9】前記第1及び第2のスイッチング装置が、
    各々MOS−FETを備えていることを特徴とする請求
    項1記載の高効率D級電圧スイッチング電力増幅器用駆
    動装置。
  10. 【請求項10】前記第1及び第2のスイッチング装置が
    、各々絶縁ゲートバイポーラトランジスタを備えている
    ことを特徴とする請求項1記載の高効率D級電圧スイッ
    チング電力増幅器用駆動装置。
  11. 【請求項11】前記第1及び第2のスイッチング装置が
    、各々MOS制御サイリスタを備えていることを特徴と
    する請求項1記載の高効率D級電圧スイッチング電力増
    幅器用駆動装置。
JP2413091A 1989-12-21 1990-12-21 高効率d級電圧スイッチング電力増幅器用駆動装置 Expired - Lifetime JPH0787311B2 (ja)

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US07/454,614 US5023566A (en) 1989-12-21 1989-12-21 Driver for a high efficiency, high frequency Class-D power amplifier
US454614 1989-12-21

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