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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024041533
(43)【公開日】2024-03-27
(54)【発明の名称】電源装置
(51)【国際特許分類】
   G05F 1/56 20060101AFI20240319BHJP
【FI】
G05F1/56
【審査請求】有
【請求項の数】4
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022146403
(22)【出願日】2022-09-14
(71)【出願人】
【識別番号】000103976
【氏名又は名称】株式会社オリジン
(74)【代理人】
【識別番号】100119677
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 賢治
(74)【代理人】
【識別番号】100160495
【弁理士】
【氏名又は名称】畑 雅明
(74)【代理人】
【識別番号】100173716
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 真理
(74)【代理人】
【識別番号】100115794
【弁理士】
【氏名又は名称】今下 勝博
(72)【発明者】
【氏名】人見 基久
(72)【発明者】
【氏名】峰 陽介
(72)【発明者】
【氏名】勝俣 公貴
【テーマコード(参考)】
5H420
【Fターム(参考)】
5H420BB12
5H420CC02
5H420DD02
5H420DD03
5H420DD05
5H420EA02
5H420EA42
5H420EA43
5H420EB01
5H420EB37
5H420EB39
(57)【要約】
【課題】低価格で電力損失が小さい電源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る電源装置301は、三角波発生回路10、バイアス重畳回路20及び制御回路40を備える。三角波発生回路10は、入力端T1と接続端T2との間に、2つのスイッチ、2つのインダクタ及び1つの出力コンデンサを組み合わせ、出力コンデンサの両端電圧を接続端T2に出力する。バイアス重畳回路20は、出力コンデンサの両端電圧に一定電圧を重畳する又は重畳しないの切り替えを行う回路構成である。制御回路40は、出力コンデンサの両端電圧の波形と負荷50に流れる電流で負荷コンデンサC7の両端に発生する電圧波形とが同期するように三角波発生回路10のスイッチをオンオフ制御するとともに、バイアス重畳回路20の切り替えを制御する。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電圧供給先と前記電圧供給先に対して直列の負荷容量成分とを有する負荷が接続される出力端に印加電圧を供給する電源装置であって、
三角波発生回路、バイアス重畳回路及び制御回路を備え、
前記三角波発生回路は、
電圧源が接続される入力端側と前記バイアス重畳回路が接続される接続端側とに接続され、2つのスイッチ素子、2つのインダクタ及び1つの出力コンデンサを組み合わせ、前記出力コンデンサの両端電圧を前記接続端に出力するスイッチング回路を有し、
前記バイアス重畳回路は、
前記接続端側と前記出力端側とに接続され、前記三角波発生回路の前記接続端に出力される前記出力コンデンサの両端電圧に一定電圧を重畳する又は重畳しないの切り替えを行い、前記出力コンデンサの両端電圧に一定電圧を重畳した電圧又は重畳していない電圧を前記出力端に出力する回路構成であり、
前記制御回路は、
前記電圧供給先に前記印加電圧を供給する時に、前記出力コンデンサの両端電圧に前記一定電圧を重畳するように前記バイアス重畳回路を制御しており、
前記電圧供給先に供給される電圧の絶対値が時間とともに小さくなる場合、前記電圧供給先に前記印加電圧を供給する前に、前記出力コンデンサの両端電圧を上昇させるように前記三角波発生回路と前記バイアス重畳回路を制御すること
を特徴とする電源装置。
【請求項2】
前記三角波発生回路は、
前記2つのスイッチ素子を直列接続したスイッチング経路と前記出力コンデンサとが並列に接続されていること、
前記入力端の両端がそれぞれ前記スイッチング経路の両端に接続されていること、
前記入力端の両端と前記スイッチング経路の両端との接続の一方が前記2つのインダクタの一方で接続されていること、及び
前記2つのスイッチ素子のいずれかに前記2つのインダクタの他方が接続されること
を特徴とし、
前記バイアス重畳回路は、
2つのバイアススイッチが並列し、前記バイアススイッチの一方に前記一定電圧を発生する直流電源が直列に接続されており、前記2つのバイアススイッチの他方がバイパス経路となる並列スイッチ回路と、
前記並列スイッチ回路と直列に接続され、前記出力端から出力される電流を遮断する遮断スイッチと、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の電源装置。
【請求項3】
前記制御回路は、
前記電圧供給先に前記印加電圧を供給する時刻を遅らせて、前記出力コンデンサの両端電圧を上昇させるように前記三角波発生回路の前記2つのスイッチ素子を制御すること、及び
前記出力コンデンサの両端電圧に一定電圧を重畳する又は重畳しないの切り替えを行ったのちに、一定時間だけ前記出力端から出力される電流を遮断するように前記バイアス重畳回路の前記遮断スイッチを制御すること
を特徴とする請求項2に記載の電源装置。
【請求項4】
前記三角波発生回路は、
カソードを向き合わせた2つのダイオードと前記2つのスイッチ素子以外の他のスイッチ素子とを直列に接続し、前記出力コンデンサの両端電圧を降下させるための電圧調整回路をさらに備えていること、
前記電圧調整回路が前記スイッチング経路及び前記出力コンデンサに並列に接続されていること、
前記スイッチング経路の前記2つのスイッチ素子を接続する接続点と前記電圧調整回路の前記2つのダイオードの接続点とを前記2つのインダクタの他方で接続すること、及び
前記電圧調整回路において前記他のスイッチ素子は前記2つのダイオードの接続点に対して前記2つのインダクタの一方が接続されている側にあること
を特徴とする請求項2又は3に記載の電源装置。
【請求項5】
前記制御回路は、
前記電圧供給先に供給される電圧の絶対値が時間とともに大きくなる場合、前記電圧調整回路の前記他のスイッチ素子を導通し、前記2つのインダクタの他方の電流を利用して前記出力コンデンサの放電量を増大させ、前記出力コンデンサの両端電圧を降下させることを特徴とする請求項4に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、静電容量を有する負荷に電力を供給する電源装置に関する。
【背景技術】
【0002】
電圧供給先と静電容量とが直列に接続された構成の負荷が存在する。当該電圧供給先に矩形波の電圧を供給しようとする場合、静電容量の存在のため当該負荷に印加する電圧は三角波(台形波)とする必要がある。このような三角波電圧を発生する電源装置が特許文献1などに開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2002-208842号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
前記負荷には比較的大きな電力が求められており、特許文献1の電源装置は、比較的大きな電力の三角波電圧を生成するためにオペアンプ(パワーアンプ)を使用する回路を有する。しかし、オペアンプを使用する電源装置は高価であり、電力損失も大きいという課題がある。
【0005】
そこで、本発明は、上記課題を解決するために、低価格で電力損失が小さい電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するために、本発明に係る電源装置は、オペアンプを使用せず、リアクトル値が大きなチョークを定電流源とし、スイッチ素子によるスイッチングによって三角波電圧を生成することとした。
【0007】
具体的には、本発明に係る電源装置は、電圧供給先と前記電圧供給先に対して直列の負荷容量成分とを有する負荷が接続される出力端に印加電圧を供給する電源装置であって、
三角波発生回路、バイアス重畳回路及び制御回路を備え、
前記三角波発生回路は、
電圧源が接続される入力端側と前記バイアス重畳回路が接続される接続端側とに接続され、2つのスイッチ素子、2つのインダクタ及び1つの出力コンデンサを組み合わせ、前記出力コンデンサの両端電圧を前記接続端に出力するスイッチング回路を有し、
前記バイアス重畳回路は、
前記接続端側と前記出力端側とに接続され、前記三角波発生回路の前記接続端に出力される前記出力コンデンサの両端電圧に一定電圧を重畳する又は重畳しないの切り替えを行い、前記出力コンデンサの両端電圧に一定電圧を重畳した電圧又は重畳していない電圧を前記出力端に出力する回路構成であり、
前記制御回路は、
前記電圧供給先に前記印加電圧を供給する時に、前記出力コンデンサの両端電圧に前記一定電圧を重畳するように前記バイアス重畳回路を制御しており、
前記電圧供給先に供給される電圧の絶対値が時間とともに小さくなる場合、前記電圧供給先に前記印加電圧を供給する前に、前記出力コンデンサの両端電圧を上昇させるように前記三角波発生回路と前記バイアス重畳回路を制御すること
を特徴とする。
【0008】
本電源装置は、オペアンプを使用せず、スイッチ素子の切り替えで三角波電圧を生成する。従って、本発明は、低価格で電力損失が小さい電源装置を提供することができる。
【0009】
また、本電源装置は、2箇所の直流電圧源の電圧値をそれぞれ制御して出力コンデンサの両端電圧の大きさ(ピーク値)と変化率を調整することができる。しかし、2箇所の直流電圧源が相互に影響するため、直流電圧源で出力電圧(出力コンデンサの両端電圧)を高く、あるいは低くしようとすると、その変化率も大きく、あるいは小さくなることがあり、負荷の電圧供給先に一定電圧の矩形波を与えることができないことが発生する。
【0010】
本電源装置は、直流電圧源以外の回路(電圧調整回路又は遮断スイッチ)で出力電圧(出力コンデンサの両端電圧)を高く、あるいは低くするため、その変化率を適正化でき、負荷の電圧供給先に一定電圧に近い改善された矩形波を与えることができる。
【発明の効果】
【0011】
本発明は、低価格で電力損失が小さい電源装置を提供することができる。また、負荷の電圧供給先に与える矩形波の電圧の幅を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
図1】本発明に係る電源装置を説明する図である。
図2】本発明に係る電源装置を説明する図である。
図3】本発明に係る電源装置の動作を説明する図である。
図4】本発明に係る電源装置の動作を説明する図である。
図5】負荷の等価回路を説明する図である。
図6】本発明に係る電源装置を説明する図である。
図7】本発明に係る電源装置を説明する図である。
図8】本発明の課題を説明する図である。
図9】本発明に係る電源装置の動作を説明する図である。
図10】本発明に係る電源装置を説明する図である。
図11】本発明の課題を説明する図である。
図12】本発明に係る電源装置の動作を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【0014】
(実施形態1)
図1は、本実施形態の電源装置301を説明する図である。電源装置301は、電圧供給先Xと負荷コンデンサC7が直列に接続されている負荷50に印加電圧を供給する電源装置であって、
三角波発生回路10、バイアス重畳回路20及び制御回路40を備え、
三角波発生回路10は、
例えば、定電圧源(直流電源)V1などの電圧源が接続される入力端T1側とバイアス重畳回路20が接続される接続端T2側とに接続され、2つのスイッチ素子、2つのインダクタ及び1つの出力コンデンサを組み合わせ、前記出力コンデンサの両端電圧を接続端T2に出力するスイッチング回路を有し、
バイアス重畳回路20は、
接続端T2側と出力端T3側とに接続され、三角波発生回路10の接続端T2に出力される前記出力コンデンサの両端電圧に一定電圧を重畳する又は重畳しないの切り替えを行い、前記出力コンデンサの両端電圧に一定電圧を重畳した電圧又は重畳していない電圧を出力端T3に出力する回路構成であり、
制御回路40は、
電圧供給先Xに前記印加電圧を供給する時に、前記出力コンデンサの両端電圧に前記一定電圧を重畳するようにバイアス重畳回路20を制御することを特徴とする。
なお、電圧供給先Xに印加電圧を供給する期間全てにわたって前記一定電圧を重畳することだけでなく、電圧供給先Xに印加電圧を供給する期間の一部だけ前記一定電圧を重畳することでもよい。
【0015】
電源装置301は、三角波発生回路が生成した所定周波数の三角波(台形波)の電圧に対し、バイアス重畳回路20が当該三角波(台形波)の周期内であって電圧値が一様に変動する時間に一定電圧を重畳する。このような一定電圧が重畳した三角波(台形波)の出力電圧を負荷50に供給することで、当該出力電圧のうち三角波(台形波)成分が負荷コンデンサC7に、一定電圧成分が電圧供給先Xに分圧される。負荷50は、電圧供給先Xに対して直列の負荷容量成分(負荷コンデンサC7)を有している。
【0016】
図2は、三角波発生回路10とバイアス重畳回路20の具体的な回路構成を説明する図である。三角波発生回路10は、
2つのスイッチ素子(SW1、SW2)を直列接続したスイッチング経路と出力コンデンサC6とが並列に接続されていること、
入力端T1の両端がそれぞれ前記スイッチング経路の両端に接続されていること、
入力端T1の両端と前記スイッチング経路の両端との接続の一方がインダクタL1で接続されていること、及び
2つのスイッチ素子(SW1、SW2)のいずれかにインダクタL2が接続されること
を特徴とする。
図2の三角波発生回路10aは、三角波発生回路10の一例であり、
入力端T1と接続端T2とに接続され、出力コンデンサC6の入力端T1側に2つのスイッチ素子(SW1、SW2)を直列接続したスイッチング経路を出力コンデンサC6と並列に接続し、
入力端T1と出力端T3との経路上であって、前記スイッチング経路の入力端T1側にインダクタL1を接続し、
前記スイッチング経路のスイッチ素子SW1に並列にインダクタL2を接続している
ことを特徴とする。
【0017】
また、バイアス重畳回路20は、2つのバイアススイッチ(SW3、SW4)が並列し、バイアススイッチSW4に一定電圧を発生する直流電源V2が直列に接続されており、バイアススイッチSW3がバイパス経路となる回路構成(並列スイッチ回路)である。
【0018】
図2において、V1とV2は直流電源、SW1~SW4はスイッチ素子である。ここでは寄生ダイオードや寄生容量のない理想的なスイッチ素子として説明する。また、負荷コンデンサC7はブロッキングコンデンサである。インダクタL1とL2はチョークコイルである。
【0019】
インダクタL1のインダクタンスを大きく(例えば、10mH)することで、リップル電流を抑えることができ、インダクタL1を定電流源とみなすことができる。後述するようにインダクタL1からの電流が負荷50に流れるので、リップル電流を制限する能力(インダクタL1のインダクタンス)が電圧供給先Xに印加される電圧Vxの精度に反映する。また、インダクタL2は、負荷50側に対して、インダクタL1とは逆向きの電流を供給することができるように接続し、動作させる。
【0020】
[定電流負荷時の動作]
電圧供給先Xが印加電圧に関わらず一定の電流が流れる定電流負荷(図5(A)参照、ダイオード側のときは抵抗値ゼロで電流が流れる)のとき、具体的な電源装置301の動作を図3を用いて説明する。
図3は、各スイッチ素子SWの駆動信号(信号がある時がオン、すなわち導通状態)、負荷コンデンサC7の両端電圧VC7及び電圧供給先Xに印加される電圧Vの波形を説明する図である。制御回路40から各スイッチ素子SWに駆動信号が入力される。
【0021】
期間aでは、スイッチ素子SW1のみがオンし、導通状態である。このとき、インダクタL1の電流は、インダクタL1、直流電源V1、出力コンデンサC6、インダクタL1の順で流れる。後述する期間hで蓄電された出力コンデンサC6は放電するので、期間aで出力コンデンサC6の両端電圧VC6が低下する。
【0022】
また、期間aでは、スイッチ素子SW2がオフ(信号がない時、すなわち非導通状態)、スイッチ素子SW1がオンなので、インダクタL2がスイッチ素子SW1で短絡された閉回路が形成される。
【0023】
期間b以降では、スイッチ素子SW3とSW4のオンオフの制御がなされる。図2の場合、制御回路40は、出力コンデンサC6の両端電圧VC6に一定電圧を重畳するときに一方の前記バイアススイッチ(スイッチ素子SW4)をオン且つ他方の前記バイアススイッチ(スイッチ素子SW3)をオフとし、出力コンデンサC6の両端電圧VC6に一定電圧を重畳しないときに一方の前記バイアススイッチ(スイッチ素子SW4)をオフ且つ他方の前記バイアススイッチ(スイッチ素子SW3)をオンとする。
【0024】
期間bでは、スイッチ素子4がオンとなる。インダクタL1の電流は出力コンデンサC6と負荷50の双方に流れ、いずれの電流も定電流となる。電圧供給先Xに流れる電流値をIxとする。電圧供給先Xに流れる電流は負荷コンデンサC7にも流れる。このため、負荷コンデンサC7の両端電圧VC7は時間とともに一定の割合で変化していく。
【0025】
ここで、インダクタL1の電流IL1
L1=Ix(1+CC6/CC7
となるように直流電源V1の電圧を設定することで、出力コンデンサC6の両端電圧と負荷コンデンサC7の両端電圧の傾き(電圧の時間変動の傾き)が同じになる。なお、CC6とCC7は出力コンデンサC6と負荷コンデンサC7の静電容量を表す。
【0026】
この期間に、スイッチ素子SW4をオンすると、出力コンデンサC6と直列に直流電源V2が接続することになるので、出力端T3には出力コンデンサC6の両端電圧と直流電源V2の電圧VV2の合算値が出力される。出力端T3の電圧は負荷50の負荷コンデンサC7と電圧供給先Xに分圧される。出力コンデンサC6の両端電圧と負荷コンデンサC7の両端電圧とは同じ比率なので、電圧供給先Xには直流電源V2の電圧VV2で決定される電圧が印加されることになる。つまり、電圧供給先Xに印加したい電圧を直流電源V2の電圧VV2で設定することができる。
【0027】
ここで、スイッチ素子SW4をオンするタイミングは、期間aで低下してきた出力コンデンサC6の両端電圧VC6が、負荷コンデンサC7の両端電圧VC7と略同じ電圧となったときが好ましい。両端電圧VC6と両端電圧VC7とが略同じであれば、電圧供給先Xに印加される電圧は直流電源V2の電圧に略等しくなるため、電源装置301の設定が容易になる。
【0028】
なお、期間bでも、スイッチ素子SW2がオフ、スイッチ素子SW1がオンなので、インダクタL2がスイッチ素子SW1で短絡された閉回路が形成される。
【0029】
続いて、期間cにてスイッチ素子SW4がオフ、スイッチ素子SW3がオンとなる。このとき、インダクタL1の電流は、インダクタL1、直流電源V1、出力コンデンサC6、インダクタL1の順で流れる電流と、インダクタL1、直流電源V1、電圧供給先X、負荷コンデンサC7、スイッチ素子SW3、インダクタL1の順で流れる電流とがある。
【0030】
このとき、スイッチ素子SW3に並列にダイオードが接続されているもしくは寄生ダイオードがある場合、スイッチ素子SW3とSW4の双方を同時にオフの状態を作ることが好ましい。つまり、出力コンデンサC6の両端電圧VC6に一定電圧を重畳することの終了時に、一方の前記バイアススイッチ(スイッチ素子SW4)をオフした後、他方の前記バイアススイッチ(スイッチ素子SW3)をオンとする前に、前記バイパス経路を流れる電流を通過させるダイオード(不図示)が他方の前記バイアススイッチ(スイッチ素子SW3)に並列されている。
【0031】
スイッチ素子SW4をオフすることで、負荷50を流れていた電流がスイッチ素子SW3の並列ダイオードもしくは寄生ダイオードを経由して流れることになる。その間にスイッチ素子SW3をオンするとゼロボルトスイッチング(ZVS)をすることができ、スイッチング損失を低減できる。
一方、直流電源V2が短絡しないように、スイッチ素子SW3とSW4の双方が同時にオンとしないようにスイッチングする必要がある。
【0032】
なお、期間cでも、スイッチ素子SW2がオフ、スイッチ素子SW1がオンなので、インダクタL2がスイッチ素子SW1で短絡された閉回路が形成される。
【0033】
期間dにてスイッチ素子SW1がオフ、スイッチ素子SW2がオンとなる。この期間では、インダクタL2の電流は、インダクタL2、スイッチ素子SW2、インダクタL1、直流電源V1、インダクタL2に流れる電流と、インダクタL2、スイッチ素子SW2、出力コンデンサC6、インダクタL2に流れる電流と、インダクタL2、スイッチ素子SW2、スイッチ素子SW3、負荷コンデンサC7、電圧供給先X、インダクタL2に流れる電流とがある。
【0034】
スイッチ素子SW2がオンとなることで負荷50を流れる電流及び出力コンデンサC6を流れる電流の方向が期間b、cでの電流の方向と逆になる。負荷50に流れる電流の向きが逆になることで負荷コンデンサC7に蓄積されていたエネルギーが放電されることになる。ここで、インダクタL2は次のような効果がある。負荷50に流れる電流の経路にインダクタL2があるので、インダクタL2は、負荷コンデンサC7に蓄積されていたエネルギーが一気に放電し、回路内に大きな電流が流れることを防止できる。
負荷コンデンサC7に蓄積されていたエネルギーが放電された後も負荷50に電流が流れ続けるので、負荷コンデンサC7には逆向きにエネルギーが蓄積され、負荷コンデンサC7の両端電圧VC7が上昇し始める。
また、出力コンデンサC6を流れる電流の向きが逆になることで、出力コンデンサC6にエネルギーが蓄積され、その両端電圧VC6が上昇する。
【0035】
なお、スイッチ素子SW1及びスイッチ素子SW2の導通、非導通状態の切替時に、インダクタL2の電流の経路が無くなることを防止するために、双方のスイッチ素子が同時に非導通状態としないようにする。双方のスイッチ素子を同時に非導通状態にすることを確実に回避するため、ダイオードを回路に挿入し、スイッチ素子SW1とSW2とが同時に導通状態になってもスイッチング経路が短絡しないようにする。
【0036】
具体的には、前記スイッチング経路は、2つのスイッチ素子(SW1、SW2)のそれぞれに直列に接続する2つのダイオード(D5、D6)を有している。
図2では、ダイオードD6をアノードを接続点Tc側とし、カソードをスイッチ素子SW1に直列接続し、ダイオードD5をアノードを接続点Tc側にあるスイッチ素子SW2に直列接続していることを特徴とする。
制御回路40は、
スイッチ素子SW1を導通して、インダクタL2の電流をスイッチ素子SW1とダイオードD6とを介して流し、
スイッチ素子SW2を導通して、インダクタL2の電流をスイッチ素子SW2とダイオードD5とを介して出力コンデンサC6に流す。
【0037】
ダイオードD5は、インダクタL2を流れる電流が、スイッチ素子SW2を導通時に、ダイオードD5を順方向に流れて出力端T3側に流れるように接続する。また、ダイオードD6は、インダクタL2を流れる電流が、スイッチ素子SW1を導通時に、ダイオードD6を順方向に流れる閉回路を形成するように接続する。
【0038】
このようにダイオード(D5、D6)を挿入することで、スイッチ素子SW1とSW2が同時にオンとなってもスイッチング経路(ダイオードD5、スイッチ素子SW2、ダイオードD6、スイッチ素子SW1)の短絡を防ぐことができる。
【0039】
期間eにてスイッチ素子SW3をオフとし、接続端T2と負荷50とを電気的に切り離す。この期間では、インダクタL2の電流は、インダクタL2、スイッチ素子SW2、インダクタL1、直流電源V1、インダクタL2に流れる電流と、インダクタL2、スイッチ素子SW2、出力コンデンサC6、インダクタL2に流れる電流とがある。
【0040】
期間eの後、前述した期間aとなるが、この期間の遷移時にもスイッチ素子SW1とSW2が同時に非導通状態とならないようにする。
【0041】
前記スイッチング経路は、追加コンデンサC5をダイオードD5に並列接続していることが好ましい。追加コンデンサC5が並列に接続されるダイオードD5は、インダクタL2の電流を出力端T3側に供給するときに導通する。
スイッチ素子SW2がオフであってもダイオードD5の内部容量やスイッチ素子SW2の寄生容量により電流が流れることがある(本電流を「漏洩電流」と記載する。)。特に期間cにおいて、ダイオードD5の内部容量やスイッチ素子SW2の寄生容量に流れる電流が変動した場合、回路全体の電流が変動し、電圧供給先Xに印加する電圧Vxが変動することになるので、電圧Vxの変動を防止するためには漏洩電流を一定に保つようにする。そこで、ダイオードD5の内部容量を追加コンデンサC5で増補し、漏洩電流が変動しないようにすることができる。
【0042】
[定抵抗負荷時の動作]
電圧供給先Xが印加電圧に関わらず一定の電気抵抗を持つ定抵抗負荷(図5(B)参照、ダイオード側に電流が流れるときは抵抗値はゼロ)のとき、制御回路40は、常に一方の前記バイアススイッチ(スイッチ素子SW4)をオフ且つ他方の前記バイアススイッチ(スイッチ素子SW3)をオンとする。
具体的な電源装置301の動作を図4を用いて説明する。
図4は、各スイッチSWの駆動信号(信号がある時がオン、すなわち導通状態)、負荷コンデンサC7の両端電圧VC7及び電圧供給先Xに印加される電圧Vの波形を説明する図である。本実施例では、スイッチ素子SW3をオン、スイッチ素子SW4をオフ(信号がない時)、すなわちオンさせずに非導通の状態を維持する。
【0043】
期間gでは、略一定とみなせるインダクタL1を流れる電流IL1が出力コンデンサC6と負荷コンデンサC7の静電容量比に分流して負荷50と出力コンデンサC6に流れる。このため、定抵抗値の電圧供給先Xに一定電流が流れるため、電圧供給先Xには定電圧V2が印加されることになる。
【0044】
なお、この期間では、スイッチ素子SW2がオフ、スイッチ素子SW1がオンなので、インダクタL2がスイッチ素子SW1で短絡された閉回路が形成される。
【0045】
期間hでは、スイッチ素子SW2がオン、スイッチ素子SW1がオフなので、インダクタL2を流れる電流が期間gとは逆向きに負荷50と出力コンデンサC6に流れる。ここで、電圧供給先Xの等価回路は図5(B)なので、この期間では電流はほぼ無抵抗のダイオードへ流れ、電圧供給先Xには定電圧は印加されない。
【0046】
なお、スイッチ素子SW1及びスイッチ素子SW2の導通、非導通状態の切替時に、インダクタL2の電流の経路が無くなることを防止するために、双方のスイッチ素子が同時に非導通状態としないようにする。双方のスイッチ素子を同時に非導通状態にすることを確実に回避するため、定電流負荷の例で説明したように、ダイオード(D5、D6)を回路に挿入し、導通状態になってもスイッチング経路が短絡しないようにする。このとき、追加コンデンサC5をダイオードD5に並列接続してもよい。
【0047】
なお、本電源装置の電力供給先が定抵抗負荷である場合、スイッチ素子SW4を導通させないので、スイッチ素子SW4と直流電源V2を装備しなくてもよい。また、出力コンデンサC6も不要であるため装備しない、あるいは容量を小さくしておくことができる。
【0048】
つまり、図6のような電源装置回路302とすることができる。電源装置回路302は、電圧供給先Xとこれに直列する負荷容量成分C7とを有する負荷50が接続される出力端T3に印加電圧を供給する電源装置であって、
三角波発生回路10c及び制御回路40を備え、
三角波発生回路10cは、
電圧源V1が接続される入力端T1側と出力端T3側とに接続され、2つのスイッチ素子(SW1、SW2)及び2つのインダクタ(L1、L2)を組み合わせたスイッチング回路を有し、
制御回路40は、
インダクタL1に流れる電流を出力端T3側に供給するとともにスイッチ素子SW1を導通することでインダクタL2を短絡した閉回路を形成し、スイッチ素子SW2を導通することでインダクタL2を流れる、インダクタL1に流れる電流とは逆向きの電流を出力端T3側に供給するように三角波発生回路10cを制御する。
【0049】
ここで、三角波発生回路10cは、
2つのスイッチ素子(SW1、SW2)を直列接続したスイッチング経路を有すること、
入力端T1の両端がそれぞれ前記スイッチング経路の両端に接続されていること、
入力端T1の両端と前記スイッチング経路の両端との接続の一方がインダクタL1で接続されていること、及び
前記2つのスイッチ素子のいずれかにインダクタL2が接続されること
を特徴とする。
【0050】
ダイオード(D5、D6)及び追加コンデンサC5については図2の三角波発生回路10aの説明と同じである。また、三角波発生回路10cの動作は、図4の説明と同じである。
【0051】
(回路構成のバリエーション)
図2に示す回路構成は、本実施形態の一例であって、例えば、インダクタL2は端子T12側に接続されてもよく、回路Cは端子T32側に接続されてもよく、接続回路Aと回路Bとを入れ替えた構成であってもよい。又は、これらを組み合わせたものであってもよい。
【0052】
(実施形態2)
図1は、本実施形態の電源装置303を説明する図でもある。電源装置303は、電圧供給先Xと負荷コンデンサC7が直列に接続されている負荷50に印加電圧を供給する電源装置であって、
三角波発生回路10、バイアス重畳回路20及び制御回路40を備え、
三角波発生回路10は、
例えば、定電圧源(直流電源)V1などの電圧源が接続される入力端T1側とバイアス重畳回路20が接続される接続端T2側とに接続され、2つのスイッチ素子、2つのインダクタ及び1つの出力コンデンサを組み合わせ、前記出力コンデンサの両端電圧を接続端T2に出力するスイッチング回路を有し、
バイアス重畳回路20は、
接続端T2側と出力端T3側とに接続され、三角波発生回路10の接続端T2に出力される前記出力コンデンサの両端電圧に一定電圧を重畳する又は重畳しないの切り替えを行い、前記出力コンデンサの両端電圧に一定電圧を重畳した電圧又は重畳していない電圧を前記出力端に出力する回路構成であり、
制御回路40は、
電圧供給先Xに前記印加電圧を供給する時に、前記出力コンデンサの両端電圧に前記一定電圧を重畳するようにバイアス重畳回路20を制御しており、
電圧供給先Xに供給される電圧Vxの絶対値が時間とともに小さくなる場合、電圧供給先Xに前記印加電圧を供給する前に、前記出力コンデンサの両端電圧を上昇させるように三角波発生回路10とバイアス重畳回路20を制御することを特徴とする。
なお、電圧供給先Xに印加電圧を供給する期間全てにわたって前記一定電圧を重畳することだけでなく、電圧供給先Xに印加電圧を供給する期間の一部だけ前記一定電圧を重畳することでもよい。
【0053】
電源装置303は、三角波発生回路が生成した所定周波数の三角波(台形波)の電圧に対し、バイアス重畳回路20が当該三角波(台形波)の周期内であって電圧値が一様に変動する時間に一定電圧を重畳する。このような一定電圧が重畳した三角波(台形波)の出力電圧を負荷50に供給することで、当該出力電圧のうち三角波(台形波)成分が負荷コンデンサC7に、一定電圧成分が電圧供給先Xに分圧される。
【0054】
図7は、本実施形態の電源装置303を説明する図である。電源装置303は、図2で説明した電源装置301のバイアス重畳回路20に遮断スイッチSWb1をさらに備える。具体的には、遮断スイッチSWb1は、前記並列スイッチ回路と直列に接続され、出力端T3から出力される電流を遮断する。
【0055】
三角波発生回路10aは、実施形態1で説明した三角波発生回路と同じである。
【0056】
実施形態1で説明したように、本発明の電源回路は、負荷50の電圧供給先Xに矩形波(直流電源V2の一定電圧)を供給できるように、定電圧源V1の電圧値で電圧Vxの傾き(変化率)を調整することが特徴である。このため、電圧Vxの傾きが小さい場合、定電圧源V1の電圧値を上げることで電圧Vxの傾きを大きくすることができる。しかし、図2の電源装置301のような回路であると、電圧Vxの傾きを大きくしようとして定電圧源V1の電圧値を上げると負荷50へ印加する電圧値も上がる。ここで、直流電源V2の電圧値を下げることで負荷50への電圧値を下げられるが、直流電源V2の電圧値はゼロボルト以下にはできず所望の低電圧の矩形波を電圧供給先Xに供給できない場合がある。この場合について定電流負荷時の動作で説明する。
なお、本明細書では、電圧Vxの絶対値が時間とともに大きくなる状態を「傾きが大きい」と表現し、電圧Vxの絶対値が時間とともに小さくなる状態を「傾きが小さい」と表現する。
【0057】
図8は、電源装置301の各スイッチ素子(SW1~SW4)の動作タイミングと、各電圧(出力コンデンサC6の両端電圧VC6、負荷コンデンサC7の両端電圧VC7、電圧供給先Xに印加される電圧Vx)との関係を説明するタイミングチャートである。定電圧源V1の電圧値を上げても電圧供給先Xに供給される電圧Vxが図3で説明したような一定電圧とならず、電圧供給先Xに一定電圧の矩形波を供給できない状態となっている。
【0058】
このような状態であっても、電源装置303は電圧Vxの傾きを調整できる。具体的には、制御回路40は、
電圧供給先Xに前記印加電圧を供給する時刻を遅らせて、出力コンデンサC6の両端電圧VC6を上昇させるように三角波発生回路10aのスイッチ素子(SW1、SW2)を制御し、
出力コンデンサC6の両端電圧VC6に一定電圧を重畳する又は重畳しないの切り替えを行ったのちに、一定時間だけ出力端T3から出力される電流を遮断するようにバイアス重畳回路20の遮断スイッチSWb1を制御する。
【0059】
図9は、電源装置303の各スイッチ素子(SW1~SW4及びSWb1)の動作タイミングと、各電圧(出力コンデンサC6の両端電圧VC6、負荷コンデンサC7の両端電圧VC7、電圧供給先Xに印加される電圧Vx)との関係を説明するタイミングチャートである。
【0060】
電源装置303は、定電圧源V1や直流電源V2の電圧値だけでは電圧Vxの傾きを補正できない場合に、バイアス重畳回路20のスイッチ素子SWb1を動作させる。出力コンデンサC6は、定電圧源V1とインダクタL1とを直列接続した回路に並列に接続されている。このため、定常時における出力コンデンサC6の両端電圧VC6の一周期(期間aから期間eまで)の平均値は、インダクタL1のリアクトル電圧の平均値がゼロのため、定電圧源V1の電圧値となる。例えば、定電圧源V1の電圧値がゼロの場合、両端電圧VC6の一周期の平均値はゼロである。
【0061】
ここで、スイッチ素子SWb1を適切なタイミングでオン/オフ(図9の例では期間eの終了でオフ、期間bの途中でオン)させ、負荷50側へ電流が分流することを防止する。それと共に、スイッチ素子SW1をオンさせるタイミング、及びスイッチ素子SW2をオフさせるタイミングを遅らせる。図9の例では、スイッチ素子SW1をオンさせるタイミングを期間aの初めから時刻b2まで遅らせ、スイッチ素子SW2をオフさせるタイミングを期間aの初めから時刻d2まで遅らせている。このようにスイッチングさせることで、実施形態1で説明した期間eの状態を時刻d2まで延長し、インダクタL2、スイッチ素子SW2、出力コンデンサC6、インダクタL2に流れる電流によって出力コンデンサC6を期間eより長く充電する。
【0062】
出力コンデンサC6の両端電圧VC6の一周期の平均値は定電圧源V1の電圧値となるため、正側電圧を高くした場合は、定常時で負側電圧も絶対値が上昇する。図9のように、出力コンデンサC6の両端電圧VC6は高くなり、結果として出力コンデンサC6の放電中(期間b)の両端電圧VC6の変化率が大きくなる。両端電圧VC6の変化率が大きくなることで、電圧供給先Xに印加される電圧Vxの傾きが補正され、図8の場合より一定に近い電圧値が電圧供給先Xに印可されるようになる。なお、スイッチ素子SW1のオン時間(オフ時刻b2)を制御することで、所望の傾きの電圧Vxに調整することができる。
【0063】
(実施形態3)
実施形態2では電圧Vxの傾きが小さい場合の補正手法を説明した。本実施形態では電圧Vxの傾きが大きい場合の補正手法を説明する。図10は、本実施形態の電源装置304を説明する図である。電源装置304は、図7で説明した電源装置303の三角波発生回路10aが三角波発生回路10bに置換したものである。
三角波発生回路10bは、
カソードを向き合わせた2つのダイオード(Da2、Da3)とスイッチ素子SWa1とを直列に接続し、出力コンデンサC6の両端電圧VC6を降下させるための電圧調整回路Dをさらに備えていること、
電圧調整回路Dがスイッチング経路(回路Aと回路B)及び出力コンデンサC6に並列に接続されていること、
前記スイッチング経路の2つのスイッチ素子(SW1、SW2)を接続する接続点Tcと電圧調整回路Dの2つのダイオード(Da2、Da3)の接続点Tc1とをインダクタL2で接続すること、及び
電圧調整回路Dにおいてスイッチ素子SWa1は接続点Tc1に対してインダクタL1が接続されている側にあること
を特徴とする。
なお、図10の三角波発生回路10bは、三角波発生回路10の一例である。例えば、電圧調整回路Dにおいて、ダイオードDa2がスイッチ素子SWa1より接続点Tc1側にあってもよい。
【0064】
前述のように、本発明の電源回路は、負荷50の電圧供給先Xに矩形波(直流電源V2の一定電圧)を供給できるように、定電圧源V1の電圧値で電圧Vxの傾き(変化率)を調整することが特徴であるから、電圧Vxの傾きが大きい場合に、定電圧源V1の電圧値を下げることで電圧Vxの傾きを小さくすることができる。しかし、図2の電源装置301のような回路であると、電圧Vxの傾きを小さい場合、定電圧源V1の電圧値をゼロまで下げても直流電源V2から供給される電力のため電圧Vxの傾きを調整しきれず、電圧供給先Xに一定電圧の矩形波を供給できない場合がある。この場合について定電流負荷時の動作で説明する。
【0065】
図11は、電源装置301の各スイッチ素子(SW1~SW4)の動作タイミングと、各電圧(出力コンデンサC6の両端電圧VC6、負荷コンデンサC7の両端電圧VC7、電圧供給先Xに印加される電圧Vx)との関係を説明するタイミングチャートである。定電圧源V1の電圧値を下げても電圧供給先Xに供給される電圧Vxが図3で説明したような一定電圧とならず、電圧供給先Xに一定電圧の矩形波を供給できない状態となっている。
【0066】
このような状態であっても、電源装置304は、制御回路40が、電圧調整回路Dのスイッチ素子SWa1を導通し、インダクタL2の電流を利用して出力コンデンサC6の放電量を増大させ、出力コンデンサC6の両端電圧VC6を降下させることで、電圧Vxの傾きを調整できる。
【0067】
図12は、電源装置304の各スイッチ素子(SW1~SW4及びSWa1)の動作タイミングと、各電圧(出力コンデンサC6の両端電圧VC6、負荷コンデンサC7の両端電圧VC7、電圧供給先Xに印加される電圧Vx)との関係を説明するタイミングチャートである。
【0068】
電源装置304は、定電圧源V1の電圧値だけでは電圧Vxの傾きを補正できない場合に、電圧調整回路Dのスイッチ素子SWa1を動作させる。出力コンデンサC6は、定電圧源V1とインダクタL1とを直列接続した回路に並列に接続されている。このため、定常時における出力コンデンサC6の両端電圧VC6の一周期(期間aから期間eまで)の平均値は、インダクタL1のリアクトル電圧の平均値がゼロのため、定電圧源V1の電圧値となる。例えば、定電圧源V1の電圧値がゼロの場合、両端電圧VC6の一周期の平均値はゼロである。
【0069】
ここで、スイッチ素子SWa1を適切なタイミングでオン/オフ(図12の例では期間dの時刻d1でオン、期間bの時刻b1でオフ)させると、インダクタL1の電流に比べて値が大きいインダクタL2の電流によって出力コンデンサC6が放電される(出力コンデンサC6から電荷がより多く流出する)。この状態を期間aについて、より詳細に説明する。
【0070】
期間aにおいて、スイッチ素子SW1のみがオンし、導通状態である。このとき、インダクタL1の電流は、インダクタL1、直流電源V1、出力コンデンサC6、インダクタL1の順で流れる。期間dとeで蓄電されている出力コンデンサC6は期間aからcで放電する。期間aで出力コンデンサC6の両端電圧VC6が低下する。
【0071】
また、期間aでは、スイッチ素子SW2がオフ(信号がない時、すなわち非導通状態)、スイッチ素子SW1がオンなので、インダクタL2がスイッチ素子SW1とダイオードDa3で短絡された閉回路が形成される。
ここで、スイッチ素子SWa1が時刻d1でオンとなっているので、インダクタL2のリアクトル電流によって、出力コンデンサC6から、ダイオードDa2、スイッチ素子SWa1、インダクタL2、スイッチ素子SW1の順の電流が流れる。
【0072】
この電流により出力コンデンサC6の電荷が減少し、スイッチ素子SWa1をオンさせない場合(図11)に比べて出力コンデンサC6の正側電圧を低下させることができる。出力コンデンサC6の両端電圧VC6の一周期の平均値は定電圧源V1の電圧値となるため、正側電圧を低下させた場合、定常時で負側電圧も絶対値が低下する。図12のように、出力コンデンサC6の両端電圧VC6の傾きが小さくなり、結果として電圧供給先Xに印加される電圧Vxの傾きが補正され、図11の場合より一定に近い電圧値が電圧供給先Xに印可されるようになる。なお、スイッチ素子SWa1のオン時間(オフ時刻b1)を制御することで、所望の傾きの電圧Vxに調整することができる。
【0073】
なお、図10に示すように、電源装置304は、実施形態2で説明したスイッチ素子SWb1と本実施形態の電圧調整回路Dを併存させることができる。つまり、電源装置304は、電圧Vxの傾きが過大の場合に、電圧調整回路Dを本実施形態で説明したように動作させることで、電圧Vxの傾きが過少の場合に、スイッチ素子(SW1、SW2、SWb1)を実施形態2で説明したように動作させることで、電圧Vxの傾きを補正し、電圧供給先Xに矩形波(直流電源V2の一定電圧)を供給できるようになる。
【0074】
(補足事項)
実施形態の電源装置は、定電流負荷時も定抵抗負荷時も、スイッチ素子SW1を導通させてインダクタL2をスイッチ素子SW1で短絡した閉回路を形成するとともにインダクタL1に流れる電流を出力端T3側に供給し、スイッチ素子SW2を導通させてインダクタL2に流れる前記インダクタL1に流れる電流とは逆向きの電流を出力端T3側に供給する動作が共通する。
【0075】
実施形態の電源装置は、リアクトル値が大きなチョーク(L1)を定電流源として利用することで、スイッチングによって三角波電圧を生成する。実施形態の電源装置は、定電流負荷や定抵抗負荷に対応しており、オペアンプで構成される電源装置に比べて安価かつ低損失に台形波電圧を発生可能である。
【0076】
本発明の実施の形態に係る電源装置を、一例として主に図1から図12を用いて説明したが、各部の構成、構造、数、配置、形状、材質などに関しては、上記具体例に限定されず、当業者が適宜選択的に採用したものも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【0077】
10、10a、10b、10c:三角波発生回路
20:バイアス重畳回路
50:負荷
301~304:電源装置
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
【手続補正書】
【提出日】2024-02-28
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電圧供給先と前記電圧供給先に対して直列の負荷容量成分とを有する負荷が接続される出力端に印加電圧を供給する電源装置であって、
三角波発生回路、バイアス重畳回路及び制御回路を備え、
前記三角波発生回路は、
電圧源が接続される入力端側と前記バイアス重畳回路が接続される接続端側とに接続され、2つのスイッチ素子、2つのインダクタ及び1つの出力コンデンサを組み合わせ、前記出力コンデンサの両端電圧を前記接続端に出力するスイッチング回路を有し、
前記バイアス重畳回路は、
前記接続端側と前記出力端側とに接続され、前記三角波発生回路の前記接続端に出力される前記出力コンデンサの両端電圧に一定電圧を重畳する又は重畳しないの切り替えを行い、前記出力コンデンサの両端電圧に一定電圧を重畳した電圧又は重畳していない電圧を前記出力端に出力する回路構成であり、
前記制御回路は、
前記電圧供給先に前記印加電圧を供給する時に、前記出力コンデンサの両端電圧に前記一定電圧を重畳するように前記バイアス重畳回路を制御しており、
前記電圧供給先に供給される電圧の絶対値が時間とともに小さくなる場合、前記電圧供給先に前記印加電圧を供給する前に、前記出力コンデンサの両端電圧を上昇させるように前記三角波発生回路と前記バイアス重畳回路を制御すること
を特徴とし、
前記三角波発生回路は、
前記2つのスイッチ素子を直列接続したスイッチング経路と前記出力コンデンサとが並列に接続されていること、
前記入力端の両端がそれぞれ前記スイッチング経路の両端に接続されていること、
前記入力端の両端と前記スイッチング経路の両端との接続の一方が前記2つのインダクタの一方で接続されていること、及び
前記2つのスイッチ素子のいずれかに前記2つのインダクタの他方が並列に接続されること
を特徴とし、
前記バイアス重畳回路は、
2つのバイアススイッチが並列し、前記バイアススイッチの一方に前記一定電圧を発生する直流電源が直列に接続されており、前記2つのバイアススイッチの他方がバイパス経路となる並列スイッチ回路と、
前記並列スイッチ回路と直列に接続され、前記出力端から出力される電流を遮断する遮断スイッチと、
を備えることを特徴とする源装置。
【請求項2】
前記制御回路は、
前記電圧供給先に前記印加電圧を供給する時刻を遅らせて、前記出力コンデンサの両端電圧を上昇させるように前記三角波発生回路の前記2つのスイッチ素子を制御すること、及び
前記出力コンデンサの両端電圧に一定電圧を重畳する又は重畳しないの切り替えを行ったのちに、一定時間だけ前記出力端から出力される電流を遮断するように前記バイアス重畳回路の前記遮断スイッチを制御すること
を特徴とする請求項に記載の電源装置。
【請求項3】
前記三角波発生回路は、
カソードを向き合わせた2つのダイオードと前記2つのスイッチ素子以外の他のスイッチ素子とを直列に接続し、前記出力コンデンサの両端電圧を降下させるための電圧調整回路をさらに備えていること、
前記電圧調整回路が前記スイッチング経路及び前記出力コンデンサに並列に接続されていること、
前記スイッチング経路の前記2つのスイッチ素子を接続する接続点と前記電圧調整回路の前記2つのダイオードの接続点とを前記2つのインダクタの他方で接続すること、及び
前記電圧調整回路において前記他のスイッチ素子は前記2つのダイオードの接続点に対して前記2つのインダクタの一方が接続されている側にあること
を特徴とする請求項1又は2に記載の電源装置。
【請求項4】
前記制御回路は、
前記電圧供給先に供給される電圧の絶対値が時間とともに大きくなる場合、前記電圧調整回路の前記他のスイッチ素子を導通し、前記2つのインダクタの他方の電流を利用して前記出力コンデンサの放電量を増大させ、前記出力コンデンサの両端電圧を降下させることを特徴とする請求項に記載の電源装置。