特表 2024-501586 正弦波形を負荷に供給する線形増幅器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-01-12

(54)【発明の名称】正弦波形を負荷に供給する線形増幅器

(51)【国際特許分類】

   H03F 3/217 20060101AFI20240104BHJP

   H03F 3/21 20060101ALI20240104BHJP

【ＦＩ】

H03F3/217 130

H03F3/21

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023563361

(86)(22)【出願日】2021-08-26

(85)【翻訳文提出日】2023-06-22

(86)【国際出願番号】 JP2021032211

(87)【国際公開番号】W WO2022215285

(87)【国際公開日】2022-10-13

(31)【優先権主張番号】21305443.0

(32)【優先日】2021-04-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】503163527

【氏名又は名称】ミツビシ・エレクトリック・アールアンドディー・センター・ヨーロッパ・ビーヴィ

【氏名又は名称原語表記】ＭＩＴＳＵＢＩＳＨＩ ＥＬＥＣＴＲＩＣ Ｒ＆Ｄ ＣＥＮＴＲＥ ＥＵＲＯＰＥ Ｂ．Ｖ．

【住所又は居所原語表記】Ｃａｐｒｏｎｉｌａａｎ ４６， １１１９ ＮＳ Ｓｃｈｉｐｈｏｌ Ｒｉｊｋ， Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100122437

【弁理士】

【氏名又は名称】大宅 一宏

(74)【代理人】

【識別番号】100147566

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100188514

【弁理士】

【氏名又は名称】松岡 隆裕

(72)【発明者】

【氏名】レグナト、ギョーム

(72)【発明者】

【氏名】ペラン、ルミ

(72)【発明者】

【氏名】ルフェーブル、ギョーム

【テーマコード（参考）】

5J500

【Ｆターム（参考）】

5J500AA01

5J500AA41

5J500AC21

5J500AC36

5J500AC92

5J500AF15

5J500AF18

5J500AH10

5J500AH19

5J500AH39

5J500AK49

5J500AM09

5J500AT01

(57)【要約】

本発明は、正弦波形を負荷に供給する線形増幅器であって、線形増幅器は、非対称増幅器とＨブリッジモジュールとから構成され、非対称増幅器は、Ｈブリッジモジュールによって、負荷に供給される正弦波信号へと変換される全波整流正弦信号を増幅する少なくとも１つのトランジスタを備えることを特徴とする、線形増幅器に関する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

正弦波形を負荷に供給する線形増幅器であって、前記線形増幅器は、非対称増幅器とＨブリッジモジュールとから構成され、前記非対称増幅器は、前記Ｈブリッジモジュールによって、前記負荷に供給される正弦波信号へと変換される全波整流正弦信号を増幅する少なくとも１つのトランジスタを備えることを特徴とする、線形増幅器。

【請求項2】

前記非対称増幅器は、同じタイプの複数のトランジスタを備え、前記複数のトランジスタのそれぞれには同じ全波整流正弦信号が供給されることを特徴とする、請求項１に記載の線形増幅器。

【請求項3】

前記トランジスタは、Ｎ型半導体であることを特徴とする、請求項２に記載の線形増幅器。

【請求項4】

前記複数のトランジスタのそれぞれは、オフ状態又は線形増幅状態又はオン状態にあり、前記複数のトランジスタのうちの１つトランジスタのみが、前記全波整流正弦信号の期間のうちの少なくとも１つの期間中に線形増幅状態にあることを特徴とする、請求項２又は３に記載の線形増幅器。

【請求項5】

前記非対称増幅器は、前記複数のトランジスタの数と同じ数のＤＣ電圧源を備えることを特徴とする、請求項４に記載の線形増幅器。

【請求項6】

各前記ＤＣ電圧源は、同じ電圧値を供給することを特徴とする、請求項５に記載の線形増幅器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、包括的には、正弦波形を負荷に供給する線形増幅器に関する。

【背景技術】

【0002】

線形モードは、一般に、正弦波信号の増幅又は直接電流制御のために、電力及び無線周波数用途に使用されている。

【0003】

パワーエレクトロニクス用途では、線形モードは、パワー半導体をゲートを通じて直接制御する電流源として、ファン用途又はバッテリ充電に使用される。

【0004】

一方、いわゆる「Ａ級」又は「Ｂ級」の線形増幅器は、本質的に、連続した正弦波電圧及び／又は電流を生成するのに対し、パルス幅変調（ＰＷＭ）インバータは、離散的な電圧パルス列を負荷に印加する。

【0005】

線形増幅器は、半導体デバイスが常に線形増幅状態で作動する（したがって、トランジスタには、電流及び電圧が交差する）ことから、大量の電力損失を伴う。したがって、線形増幅器の効率（およそ７８．５％）は、従来のＢ級増幅器と比較して非常に低い。

【0006】

Ｂ級又は「プッシュプル」型線形電力増幅器は、対称正弦波形を生成するために、相補的なスイッチＰ及びＮの対を使用する。

【0007】

この基本的なＢ級セルの低効率に対処するために、例えば、各スイッチステージへの制約を低減するようにステージの数を増大すること等、さまざまな種類の改善策が公開されている。ステージの数を増やす改善策は、コスト及び回路の複雑度によって制限される。

【0008】

上記の段落で説明したように、高効率の増幅器には多数のステージが必要であり、Ｐ型半導体及びＮ型半導体の数が増加するとともに、回路が非常に複雑となる。製造に関して、Ｐ型半導体は、Ｎ型半導体ほど多く使用されていないため、Ｐ型半導体を利用する方が困難であり、種類も少ない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明は、構成要素の数を削減して、より高効率で、Ｎ型半導体のみを有する回路の新たなトポロジを提案することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

そのために、本発明は、正弦波形を負荷に供給する線形増幅器であって、線形増幅器は、非対称増幅器とＨブリッジモジュールとから構成され、非対称増幅器は、Ｈブリッジモジュールによって、負荷に供給される正弦波信号へと変換される全波整流正弦信号を増幅する少なくとも１つのトランジスタを備えることを特徴とする、線形増幅器に関する。

【0011】

そのため、同じタイプの半導体のみを使用することができ、構成要素の数が削減され、より高効率が得られる。

【0012】

特定の特徴によれば、非対称増幅器は、同じタイプのトランジスタを複数備え、各トランジスタには同じ全波整流正弦信号が供給される。

【0013】

そのため、線形増幅器の効率が改善される。

【0014】

特定の特徴によれば、トランジスタは、Ｎ型半導体である。

【0015】

そのため、半導体の選択肢が増え、線形増幅器のコストが削減される。

【0016】

特定の特徴によれば、各トランジスタは、オフ状態又は線形増幅状態又はオン状態にあり、複数のトランジスタのうちの１つトランジスタのみが、全波整流信号の期間のうちの少なくとも１つの期間中に線形増幅状態にある。

【0017】

そのため、トランジスタの線形増幅状態の持続時間が短くなり、トランジスタがサポートするストレスが少なくなる。

【0018】

特定の特徴によれば、非対称増幅器は、トランジスタの数と同じ数のＤＣ電圧源を備える。

【0019】

そのため、トランジスタの線形増幅状態の持続時間を容易に制御することができる。

【0020】

特定の特徴によれば、各電圧源は、同じ電圧値を供給する。

【0021】

そのため、半導体は同じ降伏電圧を有し、非対称線形増幅器の大量生産のための半導体選択が容易になり、コストが削減される。

【0022】

本発明の特徴は、例示の実施形態の以下の説明を読むことによってより明確になる。この説明は、添付の図面を参照して作成されたものである。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明による線形増幅器のアーキテクチャの一例を示す図である。

【図2】非対称線形増幅器のパワー半導体の動作モードの違いによるクロノグラムである。

【図3】本発明による非対称線形増幅器の異なる信号の波形を示す図である。

【図4】線形増幅器のＨブリッジモジュールの半導体を制御する波形を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

図１は、本発明による線形増幅器のアーキテクチャの一例を示している。

【0025】

本発明によれば、線形増幅器は、非対称線形増幅器１０とＨブリッジモジュール１５とから構成される。

【0026】

非対称線形増幅器１０は、少なくとも１つのトランジスタから構成され、このトランジスタのゲートは、正の全波整流正弦信号によって駆動される。図１の例では、非対称線形増幅器１０は、４つのトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３及びＴｒ４と、３つのダイオードＤ１、Ｄ２及びＤ３と、４つのＤＣ電圧源Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３及びＶ４とを備える。

【0027】

より少数又はより多数のトランジスタを非対称線形増幅器において使用してもよい。

【0028】

トランジスタは、例えば、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴである。

【0029】

トランジスタＴｒ１～Ｔｒ４の各ゲートに印加される信号は、同じ信号Ｖｉｎであり、正の全波整流正弦信号である。

【0030】

トランジスタＴｒ１のドレインは、ＤＣ電圧源Ｖ１の第１の端子に接続されている。

【0031】

トランジスタＴｒ１のソースは、ダイオードＤ１のカソードに接続されている。ダイオードＤ１のアノードは、ＤＣ電圧源Ｖ１の第２の端子およびＤＣ電圧源Ｖ２の第１の端子に接続されている。

【0032】

ＤＣ電圧源Ｖ１の第２の端子とＤＣ電圧源Ｖ１の第１の端子との間の電圧は正である。

【0033】

トランジスタＴｒ２のドレインは、トランジスタＴｒ１のソースとダイオードＤ１のカソードとに接続されている。

【0034】

トランジスタＴｒ２のソースは、ダイオードＤ２のカソードに接続されている。ダイオードＤ２のアノードは、ＤＣ電圧源Ｖ２の第２の端子およびＤＣ電圧源Ｖ３の第１の端子に接続されている。

【0035】

ＤＣ電圧源Ｖ２の第２の端子とＤＣ電圧源Ｖ２の第１の端子との間の電圧は正である。

【0036】

トランジスタＴｒ３のドレインは、トランジスタＴｒ２のソースおよびダイオードＤ２のカソードに接続されている。

【0037】

トランジスタＴｒ３のソースは、ダイオードＤ３のカソードに接続されている。ダイオードＤ３のアノードは、ＤＣ電圧源Ｖ３の第２の端子およびＤＣ電圧源Ｖ４の第１の端子に接続されている。

【0038】

ＤＣ電圧源Ｖ３の第２の端子とＤＣ電圧源Ｖ３の第１の端子との間の電圧は正である。

【0039】

トランジスタＴｒ４のドレインは、トランジスタＴｒ３のソースおよびダイオードＤ３のカソードに接続されている。

【0040】

トランジスタＴｒ４のソースは、Ｈブリッジモジュール１５の第１の端子に接続されている。

【0041】

ＤＣ電圧源Ｖ４の第２の端子は、Ｈブリッジモジュール１５の第２の端子と接地とに接続されている。

【0042】

ＤＣ電圧源Ｖ４の第２の端子とＤＣ電圧源Ｖ４の第１の端子との間の電圧は正である。

【0043】

各ＤＣ電圧源Ｖ１～Ｖ４によって供給される電圧は等しく、Ｖｄｃ／４であることが好ましい。例えば、ここでは、Ｖｄｃは３００ボルトである。

【0044】

一変形形態では、各ＤＣ電圧源Ｖ１～Ｖ４によって供給される電圧は異なる。

【0045】

Ｈブリッジモジュール１５は、４つのスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３及びＳ４から構成されている。

【0046】

スイッチＳ１の第１の端子は、Ｈブリッジモジュール１５の第１の端子に接続され、スイッチＳ３の第１の端子は、Ｈブリッジモジュール１５の第１の端子に接続されている。

【0047】

スイッチＳ１の第２の端子は、スイッチＳ２の第１の端子および負荷Ｌｏの第１の端子に接続されている。スイッチＳ３の第２の端子は、スイッチＳ４の第１の端子および負荷Ｌｏの第２の端子に接続されている。

【0048】

スイッチＳ２の第２の端子は、Ｈブリッジモジュール１５の第２の端子に接続されている。スイッチＳ４の第２の端子は、Ｈブリッジモジュール１５の第２の端子に接続されている。

【0049】

負荷Ｌｏは、例えば、パワーグリッドである。線形増幅器は、Ｈブリッジモジュールによって展開される全波整流正弦電流Ｉａｍｐを供給することによって、正弦波電流をパワーグリッドに供給する。

【0050】

図２は、非対称線形増幅器のパワー半導体の動作モードの違いによるクロノグラムを示している。

【0051】

電圧Ｖａｍｐは、Ｈブリッジモジュール１５の第１の端子と第２の端子との間の電圧である。

【0052】

トランジスタＴｒ１～Ｔｒ４は、オフ状態又はオン状態又は線形増幅状態にある。

【0053】

図２において、線形増幅状態は水平線の領域で示されており、オン状態は垂直線の領域で示されている。

【0054】

時点ｔ_０からｔ_１までの間において、トランジスタＴｒ４は線形増幅状態にあり、トランジスタＴｒ１～Ｔｒ３はオフ状態にある。

【0055】

時点ｔ_１からｔ_２までの間において、トランジスタＴｒ４はオン状態にあり、トランジスタＴｒ３は線形増幅状態にあり、トランジスタＴｒ２及びＴｒ１はオフ状態にある。

【0056】

時点ｔ_２からｔ_３までの間において、トランジスタＴｒ３及びＴｒ４はオン状態にあり、トランジスタＴｒ２は線形増幅状態にあり、トランジスタＴｒ１はオフ状態にある。

【0057】

時点ｔ_３からｔ_４までの間において、トランジスタＴｒ２、Ｔｒ３及びＴｒ４はオン状態にあり、トランジスタＴｒ１は線形増幅状態にある。

【0058】

時点ｔ_４からｔ_５までの間において、トランジスタＴｒ３及びＴｒ４はオン状態にあり、トランジスタＴｒ２は線形増幅状態にあり、トランジスタＴｒ１はオフ状態にある。

【0059】

時点ｔ_５からｔ_６までの間において、トランジスタＴｒ４はオン状態にあり、トランジスタＴｒ３は線形増幅状態にあり、トランジスタＴｒ２及びＴｒ１はオフ状態にある。

【0060】

時点ｔ_６からｔ_７までの間において、トランジスタＴｒ４は線形増幅状態にあり、トランジスタＴｒ１～Ｔｒ３はオフ状態にある。

【0061】

ここで、線形増幅状態を飽和状態と呼称してもよく、オン状態をオーム状態と呼称してもよいことに留意されたい。

【0062】

図３は、本発明による非対称線形増幅器の異なる信号の波形を示している。

【0063】

図３では、信号Ｖｉｎ、Ｖａｍｐ、Ｉａｍｐ及びＶｌｏが示されている。

【0064】

信号Ｖｌｏは、負荷Ｌｏにかかる電圧である。

【0065】

図４は、線形増幅器のＨブリッジモジュールの半導体を制御する波形を示している。

【0066】

図４において、電圧Ｖｌｏと、スイッチＳ１及びＳ４に印加されるコマンド信号Ｓ１－Ｓ４と、スイッチＳ２及びＳ３に印加されるコマンド信号Ｓ２－Ｓ３とが示されている。

【0067】

電圧Ｖｌｏが正であるとき、コマンド信号Ｓ１－Ｓ４はハイであり、スイッチＳ１及びＳ４は導通している。

【0068】

電圧Ｖｌｏが正であるとき、コマンド信号Ｓ２－Ｓ３はローであり、スイッチＳ２及びＳ３は導通していない。

【0069】

電圧Ｖｌｏが負であるとき、コマンド信号Ｓ１－Ｓ４はローであり、スイッチＳ１及びＳ４は導通していない。

【0070】

電圧Ｖｌｏが負であるとき、コマンド信号Ｓ２－Ｓ３はハイであり、スイッチＳ２及びＳ３は導通している。

【0071】

当然のことながら、本発明の範囲から逸脱することなく、上記で説明した本発明の実施形態に対して多くの変更を行うことができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【手続補正書】

【提出日】2023-06-22

【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】

正弦波形を負荷に供給する線形増幅器であって、前記線形増幅器は、非対称増幅器とＨブリッジモジュールとから構成され、前記非対称増幅器は、前記Ｈブリッジモジュールによって、前記負荷に供給される正弦波信号へと変換される全波整流正弦信号を増幅する少なくとも１つのトランジスタを備え、
前記非対称増幅器は、同じタイプの複数のトランジスタを備え、前記複数のトランジスタのそれぞれには同じ全波整流正弦信号が供給されることを特徴とする、線形増幅器。

【請求項2】

前記トランジスタは、Ｎ型半導体であることを特徴とする、請求項１に記載の線形増幅器。

【請求項3】

前記複数のトランジスタのそれぞれは、オフ状態又は線形増幅状態又はオン状態にあり、前記複数のトランジスタのうちの１つトランジスタのみが、前記全波整流正弦信号の状態に応じて、前記全波整流正弦信号の期間のうちの少なくとも１つの期間中に線形増幅状態にあることを特徴とする、請求項１又は２に記載の線形増幅器。

【請求項4】

前記非対称増幅器は、前記複数のトランジスタの数と同じ数のＤＣ電圧源を備えることを特徴とする、請求項３に記載の線形増幅器。

【請求項5】

各前記ＤＣ電圧源は、同じ電圧値を供給することを特徴とする、請求項４に記載の線形増幅器。

【国際調査報告】