JPS6335002A - 高効率ｍｏｓｆｅｔ正弦波発生装置 - Google Patents

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】 産業上の利用分野 本発明は、基本周波数より数倍高いｍ送置波数でパルス
幅変調されたエンハンスメントモードＭＯ３ＦＥＴを使
用した、低域Ｐ波を行なって調整された正弦波出力を与
える高効率、高出力正位波発生器に関する。

従来の技術及びその問題点 電源供給装置に対して要求される数多くの機能の一つと
して様々な感知器を励起するための調整された正弦波出
力を発生することがある。。

今日の正弦波発生器の設計では対称的な「ΔＢ級」モー
ドで動作する相補的パワーＭＯ３ＦＥＴ装置を出力段に
使用している。この動作モードて・得られる理論的最大
の効率は７８％にすぎない。

この値は古典的な負荷線解析によって求められるもので
、ソースインピーダンスがゼロ、入力インピーダンスが
無限大、また利得が最大の理想的回路部品を使用した場
合についてのものである。実際の回路では理想的なパラ
メータは存在しないから可能な最大効率は７８％を下回
る。

周波数変調矩形波をＰ波することにより正弦波を発生す
るパルス幅変調を基本原理に用いた［Ｄ級Ｊモードの動
作では１００％に達する理論的効率が可能である。しか
しかかる構成をバイポーラトランジスタを用いて実行す
る試みはトランジスタのスイッチング時間及び駆動上の
要求に関する原理的な制約から一般に成功していない。

本発明は最大設計定格内のあらゆる無効負荷に対する効
率が８０〜９０％の高山Ｊ）かつ高精度、また低高調波
ひずみ電源供給装置を提供し、もって電源供給装置の技
術を進歩させることを目的とする。

問題点を解決するための手段 本発明はＤ級パルス幅変調の原理を使った高効率ＭＯＳ
ＦＥＴ正弦波発生器を提供する。本発明発生器において
は周波数ｆ０の三角波が約１／１０ｆｏの周波数の可変
振幅正弦波と比較され、得られたパルス幅変調信号によ
って８＋及びＢ−電源をスイッチングすべく一対のパワ
ーＭＯ３ＦＥＴが駆動される。パワースイッチングによ
って得られた出力はＰ波され、また！！５ｉ還されて変
調正弦波の振幅を調整する。

すなわち本発明は「０級」パルス幅変調の原理に従って
ゲートされる一対のＭＯＳＦＥＴ装置を出力段に用いる
ことにより、出力正弦波の振幅変動に反比例した変調信
号振幅変化を与える帰還回路により出力正弦波の振幅を
調整する高効率、高出力の調整正弦波発生器を提供する
。ＭＯ３ＦＥＴ装置は二重パワースイッヂに構成されて
おり、温度に関係ない速いスイッチング速度と、無視で
きるゲート駆動電力の散逸と、ＯＮ状態で低いソースド
レイン間抵抗を特徴とし、このため導通状態における電
力散逸が最小になる。いくつかの制御回路はＰ波されて
正弦波になる周波数変調矩形波を発生するＭＯＳＦＥＴ
二重スイッヂと一体的に集積化されている。この構成に
おいては変調矩形波を発生する際ＭＯＳＦＥＴ装置がデ
ジタル的に、すなわち比較的低い電力を散逸するＯＮ状
態と電力散逸がゼロのＯＦＦ状態との間を動作されるの
で高い効率を１！：Ｉ−ることか可能である。

本発明による高効率ＭＯ３ＦＥＴ正弦波発生：≦では高
い効率（８０〜９０％）と、高い出力容量（１０〜１０
０ＶＡ）と、高い精度とく調整精度１％）と、低い高調
波ひずみ（５％以下）とが最大設３１定格内の無効負荷
について得られる。

実施例 本発明の以上の及び伯の利点及び特徴は以下の図面を参
照して行なう最も好ましい実施例の説明より明らかとな
ろう。

第１図は本発明による高効率ＭＯＳＦＥＴ正弦波発生器
１０の概略的ブロック系統図である。正弦波発生器１０
はこれに供給される双極性矩形波信号をライン１４上へ
出力する外部矩形波発振器１２に応答する。またやはり
正弦波発生器１０外部に設けられる三角波発生器１６が
ライン１４上の矩形波の周波数よりは大きい周波数を有
する一定振幅の三角波をライン１８上に出力する。通常
は三角波の周波数は矩形波の周波数より約１０倍高く選
択されるが、もちろん他の周波数を用いることら本発明
範囲内に含まれる。また直流基準電圧源１８が直流基準
電圧をライン２０上へ出力する。上に高出力正弦波発生
器１０の外部に設けられるように示した電圧源、すなわ
ち矩形波発生器１２、三角波発振器１６、及び直流基準
電圧源１８はもちろん発生器１０内に設けてもよい。同
様に、図１で発生器１０内に示しであるＢ十電源２２及
びＢ−電源２４を発生器１０内から取除き、ライン２６
上のＢ＋ｆｆｉ圧とライン２８上のＢ−１圧とを発生器
１０の入カポ−１−（図示せず）に供給するようにして
もよい。

第１図でオーブンコレクタバッファ３０はライン１４上
の矩形波発振器出力信号とライン３２上の誤差信号とに
応答してライン３４上の矩形波出力信号の振幅をライン
３２上の誤差信号の変化に従って変化させる作用をなす
。以下より詳細に説明するが、ライン３４上の矩形波の
振幅変化は発生器１０出力部のライン３６上で検知され
た振幅変化に反比例して変化する。能動帯域濾波器３８
及び能動低ＩＩＩ濾波器４０がライン３４上の矩形波信
号をＰ波してライン４２上にライン３６上の出力信号と
振幅が反比例した正弦波信号を形成する。

比較器４４はライン１８上の一定振幅の三角波信号の時
々朗々の大きさをライン４２上の振幅が変化している正
弦波信号と連続的に比較する。ライン１８上の三角波信
号の周波数は通常ライン４２上の振幅が変化している正
弦波の周波数より１０倍大きくされ、これにより比較器
４４は搬送周波数が三角波のものと等しく、またパルス
幅変調周波数が正弦波の周波数と等しいパルス幅変調さ
れたパルス列を形成する。

この変調効果を第２図に一般的に示す。第２＜ａ＞図は
第１図比較器４４への典型的な入力波形を示づ一０波形
４６は第１図ライン１８上の三角波信号を示す。これは
一定振幅の三角波で、周波数は可変振幅の変調正弦波の
周波数より１０倍高い値に固定されている。２つの典型
的な正弦波４８．５０を第２（ａ）図に示す。これらは
第１図のライン４２上の信号に対応する。−殻内に、正
弦波の振幅は三角波の振幅に等しいか小さい。

第２（ｂ）図は比較器４４から第２（ａ）図の三角波４
６に応答してライン５６上に出力される、正弦波４８に
よって変調された出力信号の波形５２を示す。同様に、
第２（Ｃ）図は第２（ａ）図の正弦波変調波形が存在す
る場合にライン５６上に現れる同様な出力信号波形５８
を示す（第２（ａ）図の変調波形５０及びこれに対応す
る第２（Ｃ）図の出力波形５８は比較器出力信号の最小
パルス幅から最大パルス幅への変化が正弦波入力電圧の
振幅に直接に比例する様子をわかりゃすくするため点線
で示しである）。

そこで、第２（ａ）図より三角波信号４６の振幅は時間
１＝１＋に対応する点６０において三角波４６の振幅が
変調波形５０の振幅よりも大きい先の状態から波形５０
よりも小さい後の状態へ移行するのがわかる。これは第
２（Ｃ）図において第１図ライン５６上の信号の高出力
状態から低出力状態への変化を表わしている出力波形５
８の変化によっても示されている。これは三角波が比較
：器４４の非反転入力端子に供給され、変調波が反転入
力端子に供給されるように構成されていることによる。

逆も真である場合に（よ形成される波形は第２（ｂ）及
び第２（Ｃ）図で示したものの単に鏡像になるにすぎな
い。第１図ライン４２上に第２（ａ）図の変調波形５０
のかわりに波形４８が存在している場合は高状態から低
状態への移行は第２（ｂ）図に波形５２で示したように
やや遅れた時間ｔ２で生じる。これは三角波４６が波形
５０よりやや小さい振幅の正弦波４８によって変調され
る場合交点６２が第２（ａ）図に示すように時間的にや
や遅れて現れるためである。三角波４６の値が増大して
いく場合は逆の現象が生じる。

そこで、第２（ａ）図において、三角波振幅は時間ｔ＝
ｔ４に対応する点６６において振幅のより大きい波形５
０と交差づる前に時間ｔ＝ｔ３において振幅のより小さ
い波形４８と交差する。

上記第２図の波形についての説明と同様な議論により、
第２図においては時間の経過に伴う最小パルス幅から最
大パルス幅へのパルス幅変化は変調信号の振幅が大きい
程大であることが示される。

この状態はアコーデオンに譬えることができ、第２（ｂ
）図は引張られた優中稈度に圧縮されたアコーデオン、
第２（Ｃ）図は引張られた後両方向から強い力で圧縮さ
れたアコーデオンに似ている。

このように、変調されたパルスのパルス幅は正弦波入力
電圧に直接に比例して変化することがわかる。もちろん
第１図の比較器４４において非反転入力端子に正弦波変
調波を入力し、反転入力端子に三角波を入力するように
してもよい。この場合は生じるパルス変調は上記のもの
と逆になる以外は同様である。

第３及び第４図はライン３６上の正弦波出力信号の相対
的な大きさをそれぞれ波形１００及び１０２として示す
図である。これらの波形はそれぞれ第２（ｂ）図及び第
２（Ｃ）図の変調パルス列５２及び５８に対応する。変
化幅のより大きい変調パルス列５８は相応に振幅の大き
い出力信号１０２に対応するのがわかる。同様にパルス
幅変化の幅がより小さい波形５２は比較的小振幅の出力
正弦波１００に対応する。、これらの波形はＬＣ濾波器
出力がしｄＩ／ｄｔＭ直接に比例するとして理論的に導
いたものである。

第１図ライン５６上の変調パルス列は駆動増幅器７０に
より電力増幅されライン７２を経て絶縁変圧器７４の一
次側に供給され、ライン７６上のグー１−信号となって
二重ＭＯＳＦＥＴパワースイッチ７８を駆８する。絶縁
が必要な理由はＢ＋及びＢ−電源を使用するためである
。絶縁変圧器は比較器４４の駆ｌｊＪ電力容聞を増大す
るために増幅ｉ！！ニア　０によって駆動される。この
結果、ゲートソース間容量を迅速に充放電する電流を別
に与えることによりパワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング
時間が速くなる。パワースイッチ７８はＢ＋及びＢ−電
源２２．２４に応答してライン８０上にライン５６上の
パルス列と同様な、ただし電力レベルのより大きい変調
パルス列出力を与える。

ＭＯ８Ｆ、ＥＴパワースイッチ７８の変調出力は低域し
Ｃ濾波器８２によってＰ波され、これにより生じた高電
力正弦波出力信号がライン３６上に出力される。ライン
３６上の出力信号振幅はライン５６上の変調パルス列信
号に生じている最小値から最大値へのパルス幅の変化に
直接に比例している。本回路の出力信号について電力容
ａは１０〜１００ＶＡの範囲である。またその効率は８
０〜９０％の範囲である。さらに、本回路出力信号は設
３１定格内のあらゆる無効負荷に対して高調波ひずみが
少ない（５％以下）。

ライン３６上の出力正弦波振幅は誤差増幅器８４の反転
入力端子への帰還ループを設けることで調整される（約
１％の精度で）。誤差増幅器８４は出力電圧のピーク値
を、ライン９０上へ高精度整流器９２より出力される全
波整流信号のピーク振幅に直接に比例する大きさの直流
信号をライン８８に出力するピーク検出器８６によって
モニタする。高精度整流器９２はライン９４を介して絶
縁変圧器及び出力モニタ９６Ｊ：り入力されるが、一方
絶縁変圧器及び出力モニタ９６はライン９８を介してＩ
ｃ濾波器より入力される。オープンコレクタバッフＦ３
０は矩形波の振幅をピロと選択されたレベルとの間でラ
イン３２上の誤λ゛ｌｔ圧の大きさに従って制御し、こ
のため、ノ；差増幅器の非反転入力端子上の基準電圧の
大きさがライン３６上の出力正弦波電圧の振幅を決定す
ることになる。これは誤差増幅器がその出力を修正して
反転及び非反転入力端子上の電圧を同じ値に維持するよ
うに動作するためである。

第５図は本発明による高効率ＭＯ３ＦＥＴ正弦波発生器
１０ａの詳細なブロック系統図である。

第１図と異なり、第５図回路では三角波発生器１６と直
流基準電圧源１８とが回路１０中に含まれる。一方第１
図回路と類似している点は矩形波発振器１２が回路から
除外されている点である。

そこで、第５図ではライン１４上の矩形波入力信号は図
示の回路１０外部の特定しない短形波発振器より供給さ
れる。

三角波発生器１６はＣＤ４０１３Ｄフリツプフロツプ１
０９よりなる矩形波発生器より構成される。このフリッ
プ７０ツブ１０９はライン１１０を介して積分器として
接続構成されている演算増幅ｉ！！＋１１２へ矩形波を
供給する。こうして形成された三角波はライン１８を経
て例えば１Ｍ１３９比較冴の如き低電ノ〕低オフセツｉ
−電圧装置などよりなる比較器１０５を含む比較器回路
４４に交流結合される。ライン５６上の変調パルス列は
図示の如く構成されてオフ及びオン状態の間を交互に変
化する高速のスイッチング信号をライン７２上に出力す
る数個のバイポーラトランジスタよりなる駆動増幅器に
供給される。変圧器７４はこの信号を一対の二次側巻線
へ結合し、この二次巻線より絶縁されたゲート信号がＭ
ＯＳＦＥＴスイッチ７８に供給される。ＭＯＳＦＥＴス
イッチ７８は第５図に示すような相補的スイッチであっ
て一方Ｎチャンネル形Ｍ　ＯＳ　Ｆ　Ｅ　Ｔ、他方はＰ
チ１７ンネル形ＭＯＳＦＥＴであるが、両方共Ｎチャン
ネル形あるいはＰチャンネル形であってもよい１．いず
れにせよ、これらのＭＯＳＦＥＴはそれぞれ大ささの等
しい正又は負の直流電源に接続されている。

上記構成によって形成される高パワーパルス幅変調信号
はライン３６上に正弦波出力信号を供給づるＬＣ濾波器
８２へ供給される。

変圧器の一時側９６ａがライン３６うえの出力信号をそ
の二次側９６ｂへ結合し、これから出力モニタ信号がラ
イン９４を介して高精度整流器９２へ供給される。ライ
ン９０上の全波整流出力信号は演算増幅器１２０を含む
ピーク検出器８６へ供給される。ピーク検出器はライン
９０上の整流された信号のピーク振幅に比例した大きさ
の出力信号をライン８８に出力する。

ピーク検出器の出力は演算増幅器１２２を含む誤差増幅
器８４の反転入力端子に印加される。誤差増幅器８４の
出力はオーブンコレクタバッファ３０によって周期的に
接地レベルにチョップされる。ライン１４上の矩形波入
力のデユーティサイクルが５０％の場合ライン３４上の
信号のデユーデイサイクルも５０％になる。さらに別の
演算増幅器１２４及σ１２６が帯賊戸波器３８及び低域
濾波器４０として接続構成され、ライン４２を介して比
較器４４へ可変振幅変調正弦波信号を供給する。

以上、本発明を実施例について説明したが、本発明の思
想及び範囲内で様々な変形、省略あるいは追加が可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による高効率ＭＯＳＦＥＴ正弦波発生器
の単純化した概略的ブロック系統図、第２（ａ）図は第
１図の比較器へ供給される入力波形を示す図、第２（ｂ
）図は第１図比較器の比較的小振幅の入力正弦波信号に
対応した出力波形を示１図、第２（Ｃ）図は第１図比較
器の比較的大振幅の入力正弦波信号に対応した出力波形
を示づ図、第３図は第２（ｂ）図の如き変調波形によっ
て生じる本発明発生器出力波形の一部を示す図、第４図
は第２（Ｃ）図の如き変調波形によ−）で生じる本発明
発生器出力波形の一部を示す図、第５図は便宜上第５Ａ
図及び第５Ｂ図に分けて示した本発明による高効率ＭＯ
ＳＦＥＴ正弦波発生回路のより詳細な概略的回路図であ
る。 １０．１０３−・・高効率ＭＯＳＦＥＴ正弦波発１器、
１？・・・矩形波発振器、１４．１８，２０゜２６．２
８．３２．３４．３６．４２．５６゜７２．７６．８０
．８８，９０，９４．９８゜１１０・・・ライン、１６
・・・三角波発生器、２２・・・Ｂ＋電源、２４・・・
Ｂ−電源、３０・・・オーブンコレクタバッファ、３８
・・・帯１ａ！濾波器、４０・・・低域濾波器、４４，
１０５・・・比較器、４６・・・三角波、４８゜５０・
・・正弦波、５２，５８，１００．１０２・・・波形、
６０．６２．６４．６６・・・交点、７０・・・増幅器
、７４・・・絶縁変圧器、７８・・・ＭＯＳＦＥＴパワ
ースイッチ、８２・・・ＬＣ濾波器、８４・・・誤差増
幅器、８６・・・ピーク検出器、９２・・・高精度整流
器、９６・・・絶縁変圧器及び出力モニタ、９６ａ・・
・変圧器一次側、９６ｂ・・・変圧器二次側、１０９・
・・フリップフロップ、１１２，１２４．１２６・・・
演算増幅器。 特許出願人　ユナイテッド　デクノロシーズ−ヘ　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　ヘε　　　　　　　　　　　　　　　１　
　　　　　ぐＦＩＧ、Ｊ ＦＩＧ　　４

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の周波数の正弦波変調信号を出力する可変振
   幅正弦波源と、第１の周波数より大きい第２の周波数の
   、かつ該変調信号の振幅と等しいか大きい振幅の三角波
   信号を出力する固定振幅三角波電圧源とに応答する正弦
   波発生装置であって：該正弦波源は該装置からの誤差信
   号に応答して該変調信号の振幅を該誤差信号に応じて変
   化させ、また該装置は： 別々の入力端における該変調信号及び該三角波信号に応
   じて低パワー変調パルス列信号を出力する比較器手段と
   ； 該変調パルス列信号に応じて増幅された変調パルス列信
   号を出力する駆動増幅器手段と；一次側及び二次側巻線
   を有し、一次側巻線に加えられた増幅された変調パルス
   列信号に応答して絶縁されたゲートを駆動する交流駆動
   信号を二次側巻線に形成する絶縁変圧器手段と；一対の
   、各々そのゲート入力部に加えられる交流ゲート駆動信
   号の一方にのみ応答し、対の一方は正の直流電圧源と接
   続され他方は上記正の直流電圧源と同じ大きさの負電圧
   を与える負の電圧源に接続されて変調パルス列パワー出
   力信号を出力するＭＯＳＦＥＴパワースイッチと；該変
   調パルス列パワー出力信号に応答して正弦波パワー出力
   信号を出力するＬＣ濾波器と；該正弦波パワー出力信号
   に応答してその大きさを基準信号の大きさと比較し、誤
   差信号を該可変振幅正弦波源へ供給して該変調信号の振
   幅を該正弦波パワー出力信号に反比例して変化させ、も
   って該正弦波パワー出力信号の電圧値を誤差信号の値を
   ゼロになるように減少させる誤差回路手段とを備えたこ
   とを特徴とする装置。
2. （２）該誤差回路手段はさらに 該正弦波パワー出力信号に応答して整流信号を出力する
   整流器手段と； 該整流信号に応答して該整流信号のピーク振幅値に直接
   に比例した大きさの直流電圧信号を出力するピーク検出
   手段と； 該ピーク検出手段からの該直流電圧信号及び基準信号に
   応じて該直流電圧信号の大きさと該基準信号との差に直
   接に比例する大きさの該誤差信号を出力する誤差増幅器
   手段とを備えたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の装置。
3. （３）該誤差回路手段はさらに 一定振幅の第１の矩形波信号出力を出力する矩形波発振
   器と； 該誤差信号及び該矩形波信号出力に応じて振幅が該正弦
   波パワー出力信号の大きさの変化に反比例して変化する
   第２の矩形波出力を与えるオープンコレクタバッファと
   ； 該第２の矩形波出力信号に応じて該正弦波変調信号を出
   力する濾波器手段とを備えたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の装置。