JP4939752B2 - 多相インピーダンス変換増幅器 - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、２００２年５月１３日出願の米国特許仮出願一連番号第６０／３８０，４３６号からの優先権を請求するものであり、その全内容は、本明細書において引用により組み込まれる。
本発明は、一般的に、インピーダンス変換増幅器に関するものであり、特に、この種の増幅器における出力電圧又は電流変換比を増大させるための技術に関する。

インピーダンス変換増幅器は、「インピーダンス変換出力段を有するスイッチング増幅器」という名称で本明細書において引用により組み込まれている米国特許第５，６１０，５５３号で説明されるように、変成器を使用せずに入力を超える出力電圧又は電流をもたらすものである。しかし、高い効率を得るためには、低負荷インピーダンスでの最大電圧又は電流増幅比には限界がある。負荷が８オーム未満の典型的な電圧比は、一般的に４：１又はそれ以下に限定される。いくつかの限定電圧用途においては、取得可能な最大の比でも妥当な電力をもたらさない。より高い電力用途でのその使用範囲を拡大するために、インピーダンス変換増幅器における出力増幅比を増大する必要性が存在する。

米国特許仮出願一連番号第６０／３８０，４３６号 米国特許第５，６１０，５５３号

本発明は、インピーダンス変換増幅器における出力電圧又は電流変換比を大幅に増大させる方法及び装置に関する。広い意味では、本方法は、位相同期多重インピーダンス変換段を利用し、その各段は、好ましくは、最終的な出力電圧又は電流の等しい部分を与える。

ここで図１を参照すると、電圧供給装置１０１は、次に示す全ての作動のための電力を供給する。スイッチング装置１０４は、着信データストリーム１１８の受信に応答して制御信号を供給する「ＰＷＭ変調器」１０９からの信号１１９の制御の下でインダクタ１０２を充電する。標準的なパルス幅変調技術が用いられることが好ましい。
信号１１９が終わると、インダクタ１０２は、その蓄積した電荷をダイオード１０６を通じてコンデンサ１０８の中に放出する。このイベントサイクルの後に、スイッチング装置１０５は、「ＰＷＭ変調器」１０９からの信号１２０の制御の下でインダクタ１０３を充電する。信号１２０が終わると、インダクタ１０３は、その蓄積した電荷をダイオード１０７を通じてコンデンサ１０８の中に放出する。代替的に、着信データ１１８を表すエネルギは、供給装置１０１の電圧でインダクタ１０２又は１０３のいずれかに蓄積され、別の電圧でコンデンサ１０８の中に放出されることが分る。

ライン１２１及び１２２上の制御信号は、着信データ１１８の符号を反映するように「ＰＷＭ変調器」１０９によって制御される。このような作動は、当業技術の様々な慣行に従って静的又は動的に起こる場合がある。制御信号１２１及び１２２は、スイッチング装置１１０及び１１２をそれぞれ作動し、同時に、インバータ１２３及び１２４の作動を通じてスイッチング装置１１１及び１１３をそれぞれ作動停止する役目をする。

以上の正味の効果は、コンデンサ１０８に蓄積した電荷がスイッチング装置１１０及びインダクタ１１４、又は、スイッチング装置１１２及びインダクタ１１５のいずれかを通じて負荷１１７の１つの端子によって利用可能にされ、これにより負荷１１７を通る電流の方向が制御されるということである。インダクタ１１４及び１１５は、コンデンサ１１６と共に、サンプリング処理に固有のエイリアス生成物をフィルタ除去する役目をする。負荷１１７に対する電流の戻りは、電圧供給装置１０１までスイッチング装置１１１又は１１３のいずれかを通すことによって達成される。この接続方法により、負荷１１７で利用可能な出力はゼロに近づくことができる。

ここで図２を参照すると、波形図２０１及び２０２は、それぞれ、図１の制御信号１１９及び１２０の挙動を示す。波形図２０３及び２０４は、それぞれ、ダイオード１０６及び１０７のカソード側の挙動、すなわち、それぞれ図１のインダクタ１０２及び１０３の電位を示す。波形図２０５は、図１に示されているダイオード１０６及び１０７、コンデンサ１０８、及びスイッチング装置１１０及び１１２すべての共通接続部での挙動、従って、本明細書で説明する作用によって生成される瞬時電圧を示す。

時点２０６において、制御信号１１９は、信号２０１によってアサートされ、その結果は、ダイオード１０６において波形図２０３に見られるようになる。時点２０７においては、波形図２０１に見られる制御信号１１９の解除によって、波形図２０３に見られるようなインダクタ１０２からのフライバック電圧が生成される。ダイオード１０６を通して導通するこのフライバック電圧は、波形図２０５に示すように、コンデンサ１０８の両端での電位の増加をもたらす。時点２０８及び２０９でそれぞれ見られる制御信号１２０のその後のアサート及びアサート停止は、時点２０９で波形図２０４に見られるようなインダクタ１０３からの類似のフライバック電圧、及びその時点の波形図２０５に見られるようなコンデンサ１１８の両端の電位の増加をもたらす。

２つの交互するインダクタフライバック周期を用いることによって、各インダクタに対する出力期間（単一段のインダクタが利用可能と考えられる期間）の２倍の充電期間が可能となるという点が注目される。この期間の増大は、その後のフライバック段の追加にも当て嵌まり、すなわち、例えば、３つのインダクタを使用すれば、出力期間の３倍のインダクタ充電期間が可能になる。上述の倍増においては、利用可能なインダクタ充電期間は、その最大電流を倍増し、従って、得られる最大フライバック電圧は、任意の負荷抵抗に対して倍増する。こうして、このトポロジーのインピーダンス変換増幅器の得られる出力電力は、使用時の電圧変換比に使用した段数の二乗を掛けたものになる。

本発明の好ましい実施形態を示す図である。 図１の回路に対する制御及び出力信号の電圧波形を示す図である。

符号の説明

１０１ 電圧供給装置
１０２、１０３、１１４、１１５ インダクタ
１０４、１０５、１１０、１１１、１１２、１１３ スイッチング装置
１０６ ダイオード
１０８ コンデンサ
１０９ ＰＷＭ変調器
１１８ 着信データストリーム

Claims (12)

1. パルス幅変調器（ＰＷＭ）によって制御されたゲートスイッチを通る入力信号に従ってエネルギが負荷に結合される種類のスイッチング増幅器における出力増幅比を増大させるための、電力供給源に接続した回路であって、
   前記入力信号を受け取る複数のインピーダンス変換段であって、各々が電力供給源とゲートスイッチとの間に接続され、かつ、交互に同一の電源を充電し、負荷に結合されたエネルギの一部分を与えるために各々が前記入力信号に従って「ＰＭＷ」により位相同期ベースで制御される複数のインピーダンス変換段、
   を含むことを特徴とする回路。
2. 各インピーダンス変換段は、負荷に結合されたエネルギの等しい部分を与えることを特徴とする請求項１に記載の回路。
3. 各インピーダンス変換段は、前記入力信号に従ってパルス幅変調される「ＰＷＭ」制御式スイッチをインダクタと直列に含み、それによって負荷に対する電圧を増大させることを特徴とする請求項１に記載の回路。
4. ゲートスイッチで負荷を駆動するインピーダンス変換増幅器における出力増幅比を増大させる方法であって、
   電力供給源とゲートスイッチとの間に接続された複数の位相同期インピーダンス変換段を設ける段階と、
   前記インピーダンス変換段の各々が、交互に同一の電源を充電し、負荷に亘る電圧又は電流のそれぞれの部分を与え、かつ、前記負荷を通る電圧又は電流の大きさの少なくとも一部が入力信号によって決まるように、前記入力信号に従って前記インピーダンス変換段を制御する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
5. 各インピーダンス変換段は、負荷に亘る電圧又は電流の実質的に等しい部分を与えることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 負荷にエネルギを供給するためのスイッチング増幅器であって、
   複数のインピーダンス変換段であって、それぞれが入力信号を受け取り、それぞれが入力信号に対応する大きさの出力信号を同一の出力端子に供給するようにされている、複数のインピーダンス変換段と、
   前記負荷を前記出力端子に接続する複数のスイッチング装置とを備え、
   前記スイッチング装置は、前記出力端子から前記負荷を通って電流を流すよう構成されていることを特徴とするスイッチング増幅器。
7. 前記インピーダンス変換段のそれぞれは交流充電モード及び電荷放出モードで動作し、そして、少なくとも第１及び第２のインピーダンス変換段は、第２のインピーダンス変換段が電荷放出モードのときに第１のインピーダンス変換段が充電モードになるとともに、第２のインピーダンス変換段が充電モードのときに第１のインピーダンス変換段が電荷放出モードになるよう動作することを特徴する、請求項６に記載のスイッチング増幅器。
8. 前記入力信号が正極性のときに負荷を通って第１の方向に電流が流れ、前記入力信号が負極性のときに負荷を通って第１の方向とは反対の第２の方向に電流が流れるように、前記スイッチング装置が入力信号の極性に従って制御されることを特徴とする請求項６に記載のスイッチング増幅器。
9. 各インピーダンス変換段は、負荷に結合されたエネルギの等しい部分を与えることを特徴とする請求項６に記載のスイッチング増幅器。
10. 前記インピーダンス変換段は一対の直流入力端子の間に接続され、各インピーダンス変換段は、
    前記直流入力端子の間に接続されたインダクタとスイッチの直列接続と、
    前記インダクタと出力端子との間に接続されたダイオードと、
    を含むことを特徴とする請求項６に記載のスイッチング増幅器。
11. 入力信号を増幅する方法であって、
    第１のインピーダンス変換段から電源に、交互に充電及び電荷放出する段階であって、第１のインピーダンス変換段が充電されている期間の長さが入力信号によって決定される段階と、
    第２のインピーダンス変換段から前記電源に、交互に充電及び電荷放出する段階であって、第２のインピーダンス変換段が充電されている期間の長さが入力信号によって決定される段階と、
    電流を、前記電源から負荷を通して、前記入力信号が正極性のときに第１の方向に流し、前記入力信号が負極性のときに第１の方向とは反対の第２の方向に流す段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
12. 前記第１のインピーダンス変換段を交互に充電及び電荷放出する段階は、前記第２のインピーダンス変換段から電荷が放出されている時間の少なくとも一部の間に前記第１のインピーダンス変換段を充電し、前記第２のインピーダンス変換段が充電されている時間の少なくとも一部の間に前記第１のインピーダンス変換段から電荷を放出する段階を含み、
    前記第２のインピーダンス変換段を交互に充電及び電荷放出する段階は、前記第１のインピーダンス変換段から電荷が放出されている時間の少なくとも一部の間に前記第２のインピーダンス変換段を充電し、前記第１のインピーダンス変換段が充電されている時間の少なくとも一部の間に前記第２のインピーダンス変換段から電荷を放出する段階を含む、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。

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