以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて詳細に説明する。本発明は、オペアンプの正電源及び負電源に制御電圧±Vを用いて三角波triを生成し、三角波triと交流入力電圧inを分圧して得られた分圧電圧dvとに基づいてPWM信号を生成し、PWM信号にLPF(ローパスフィルタ)を施して交流基準電圧波形oを生成する交流基準電圧波形生成回路において、交流入力電圧inの変圧後の交流電圧を整流して得られた整流直流電圧±rc及び三角波triが正比例の関係となるように、整流直流電圧±rcを補正して制御電圧±Vを生成することを特徴とする。
これにより、交流入力電圧in及び整流直流電圧±rcが正比例の関係であり、交流入力電圧in及び分圧電圧dvが正比例の関係であるため、PWM信号を生成するコンパレータに入力される三角波tri及び分圧電圧dvも正比例の関係となる。
ここで、正比例とは、二つの変量が相互に関連して変化し、その比が常に一定であることをいう。
したがって、電源機器が所定の特性を有する交流出力電圧outを生成する際に用いる基準となる電圧波形であって、CPU、PLL(Phase Locked Loop:位相同期)回路等を用いない簡素化された回路構成により、交流入力電圧inの位相と一致し、かつ振幅が一定となる等の所定の特性を有する交流基準電圧波形oを生成することができる。
〔電源機器〕
まず、本発明の実施形態による交流基準電圧波形生成回路を含む電源機器の概略について説明する。図1は、本発明の実施形態による交流基準電圧波形生成回路を含む電源機器の概略構成例を示すブロック図である。
この電源機器100は、交流入力電圧inを入力し、当該交流入力電圧inを、所定の特性を有する交流出力電圧outに変換して出力する機器であり、交流基準電圧波形生成回路1、変換器101及び制御器102を備えている。
交流基準電圧波形生成回路1は、交流入力電圧inを入力し、交流入力電圧inに基づいて、当該交流入力電圧inの位相と一致し、かつ振幅が一定となる等の所定の特性を有する交流基準電圧波形oを生成し、交流基準電圧波形oを制御器102に出力する。交流基準電圧波形生成回路1の詳細については後述する。
制御器102は、変換器101から交流出力電圧outを入力すると共に、交流基準電圧波形生成回路1から交流基準電圧波形oを入力する。そして、制御器102は、交流出力電圧outの波形を検出し、当該波形と交流基準電圧波形oとの間の差が小さくなるように(0となるように)制御信号cを生成する。制御器102は、制御信号cを変換器101に出力する。
変換器101は、交流入力電圧inを入力すると共に、制御器102から制御信号cを入力する。そして、変換器101は、制御信号cに基づいて、交流入力電圧inを交流出力電圧outに変換し、交流出力電圧outを出力する。
このように、電源機器100により、交流基準電圧波形生成回路1が生成した交流基準電圧波形oと同様の特性の波形を有する交流出力電圧outを得ることができる。つまり、交流基準電圧波形生成回路1が生成した交流基準電圧波形oを用いて、交流入力電圧inが、当該交流入力電圧inの位相と一致し、かつ振幅が一定となる等の所定の特性を有する交流出力電圧outに変換され出力される。
交流基準電圧波形生成回路1が入出力する交流入力電圧in及び交流基準電圧波形oの関係は、以下に示す(a)~(d)の特性である。
(a)交流基準電圧波形oの位相は、交流入力電圧inの位相に一致していること。
(b)交流基準電圧波形oの振幅は、交流入力電圧inの振幅に関わることなく、一定値であること。
(c)交流基準電圧波形oは、交流入力電圧inの波形と近似または相似であること。
(d)交流基準電圧波形oは、交流入力電圧inの周波数に依存しないこと(交流入力電圧inの周波数が変動しても、前記(a)~(c)の特性を有すること)。
図2は、図1に示した交流基準電圧波形生成回路1の入出力信号である交流入力電圧in及び交流基準電圧波形oの特性例を示す図であり、前述の(a)~(d)を図示したものである。横軸は時間tを示し、縦軸は電圧を示す。
(1)は、交流入力電圧inの振幅比(波高値)が80%、100%及び120%である場合の正弦波の特性を示し、(2)は、交流入力電圧inの周波数が50Hz及び60Hzである場合の正弦波の特性を示す。また、(3)は、交流入力電圧inの振幅比が80%、100%及び120%である場合の台形波の特性を示す。
(1)に示すように、正弦波の交流入力電圧inの振幅比が80%、100%及び120%の3段間に変動した場合であっても、交流基準電圧波形oは、一定の電圧を維持する。また、交流基準電圧波形oは、交流入力電圧inとの間で位相ずれのない特性となる。
(2)に示すように、交流入力電圧inの周波数が50Hz及び60Hzに切り換えられた場合であっても、交流基準電圧波形oは、一定の電圧を維持する。また、交流基準電圧波形oは、交流入力電圧inとの間で位相ずれのない特性となる。
(3)に示すように、台形波の交流入力電圧inの振幅比が80%、100%及び120%の3段間に変動した場合であっても、交流基準電圧波形oは、一定の電圧を維持する。また、交流基準電圧波形oは、交流入力電圧inとの間で位相ずれのない特性となる。さらに、(1)~(3)から、交流基準電圧波形oは、交流入力電圧inの波形と近似または相似しているといえる。
このように、図2から、交流入力電圧inの振幅比及び/または周波数が変動した場合であっても、交流基準電圧波形oは、一定の電圧を維持し、交流入力電圧inとの間で位相ずれがなく、かつ交流入力電圧inの波形と近似または相似することがわかる。
本発明の実施形態による交流基準電圧波形生成回路1は、交流入力電圧inに基づいて、前述の(a)~(d)の特性を有する交流基準電圧波形o、すなわち図2に示した特性を有する交流基準電圧波形oを生成する。
このような特性を有する交流基準電圧波形oを生成するためには、後述する図3及び図4に示す交流入力電圧in、整流直流電圧±rc、三角波tri及び分圧電圧dvが正比例の関係となることが必要である。詳細については後述する。
〔交流基準電圧波形生成回路1〕
次に、図1に示した交流基準電圧波形生成回路1について詳細に説明する。図3は、交流基準電圧波形生成回路1の基本構成例を示すブロック図であり、図4は、交流基準電圧波形生成回路1の全体構成例を示す回路図である。
この交流基準電圧波形生成回路1は、整流回路11、補正回路12、三角波生成回路13、PWM(パルス幅変調)生成回路14及びLPF(ローパスフィルタ)回路15を備えている。
交流分圧回路10は、交流入力電源2から交流入力電圧inを入力し、交流入力電圧inを変圧し、変圧後の交流電圧を分圧することで、交流の分圧電圧dvを生成する。変圧後の交流電圧は整流回路11へ供給され、分圧電圧dvは、PWM生成回路14へ供給される。
具体的には、交流分圧回路10は、トランス20及び抵抗21,22を備えている。交流分圧回路10は、トランス20にて交流入力電圧inを変圧し、変圧後の交流電圧を抵抗21,22にて分圧し、分圧電圧dvを生成する。交流分圧回路10は既知の回路である。
整流回路11は、交流分圧回路10から変圧後の交流電圧を入力し、入力した交流電圧を整流することで、整流直流電圧±rcを生成する。整流直流電圧±rcは、補正回路12へ供給される。
具体的には、整流回路11は、ダイオード23,24,25,26、抵抗27,28及びコンデンサ29,30を備えている。整流回路11は、4本のダイオード23,24,25,26にて交流電圧を整流し、整流後の電圧から抵抗27,28を用いて整流直流電圧±rcを生成する。抵抗27,28のそれぞれの一端は接地されており、それぞれの他端において整流直流電圧±rcが生成される。生成された整流直流電圧±rcの脈動を抑えて平滑化するために、コンデンサ29,30が設けられている。整流回路11は既知の回路である。
補正回路12は、整流回路11から整流直流電圧±rcを入力すると共に、直流定電圧電源3から直流定電圧(±15V)を入力する。補正回路12は、整流直流電圧±rcと、三角波生成回路13により生成される後述する三角波triとが正比例の関係となるように、整流直流電圧±rc及び直流定電圧(±15V)を用いて整流直流電圧±rcを補正し、直流の制御電圧±Vを生成する。制御電圧±Vは、三角波生成回路13に供給され、三角波triを生成するために用いられる。補正回路12の詳細、並びに整流直流電圧±rc及び制御電圧±Vの特性については後述する。
ここで、交流入力電圧in及び整流直流電圧±rcは正比例の関係であり、交流入力電圧in及び分圧電圧dvも正比例の関係である。整流直流電圧±rcは、交流入力電圧inが変圧された交流電圧を整流した後に、抵抗27,28を用いて得られたプラス側及びマイナス側の電圧であり、分圧電圧dvは、交流入力電圧inが変圧された交流電圧を、抵抗21,22により分圧した電圧だからである。
このため、補正回路12の処理にて、整流直流電圧±rcと三角波triとを正比例の関係とすることにより、交流入力電圧in、整流直流電圧±rc、三角波tri及び分圧電圧dvを正比例の関係とすることができる。
三角波生成回路13は、補正回路12から制御電圧±Vを入力し、当該制御電圧±Vを、三角波triを出力するオペアンプ35の正電源及び負電源に供給し、当該オペアンプ35から三角波triを出力する。三角波triはPWM生成回路14へ出力される。
具体的には、三角波生成回路13は、抵抗31,33,36、コンデンサ34及びオペアンプ32,35を備えている。制御電圧±Vは、オペアンプ32,35の正電源及び負電源に供給される。三角波生成回路13は、図4に示した回路構成にて、オペアンプ35の出力ピンから三角波triを出力する。三角波生成回路13は既知の回路であるため、詳細な説明を省略する。制御電圧±V及び三角波triの特性については後述する。
PWM生成回路14は、三角波生成回路13から三角波triを入力すると共に、交流分圧回路10から分圧電圧dvを入力し、直流定電圧電源3から直流定電圧(±15V)を入力する。PWM生成回路14は、直流定電圧(±15V)をコンパレータ37の正電源及び負電源に供給し、三角波tri及び分圧電圧dvを、コンパレータ37の反転及び非反転入力ピンにそれぞれ入力し、コンパレータ37の出力ピンからPWM信号を出力する。PWM信号はLPF回路15へ出力される。
具体的には、PWM生成回路14は、コンパレータ37及びダイオード38,39を備えている。直流定電圧(±15V)は、コンパレータ37の正電源及び負電源に供給される。PWM生成回路14は、図4に示した回路構成にて、コンパレータ37の出力ピンからPWM信号を出力する。PWM生成回路14は既知の回路であるため、詳細な説明を省略する。
LPF回路15は、PWM生成回路14からPWM信号を入力し、PWM信号にLPFを施すことで、所定の遮断周波数より高い周波数の成分を低減させ、LPF後の信号を交流基準電圧波形oとして負荷4へ出力する。LPF回路15は、コイル40及びコンデンサ41を備えることで、LC回路を構成する。LPF回路15は既知の回路である。
(PWM生成回路14における三角波tri、分圧電圧dv及びPWM信号の関係)
次に、PWM生成回路14における三角波tri、分圧電圧dv(ここでは、比較信号dとする。)及びPWM信号の関係について説明する。
図5は、PWM生成回路14に備えたコンパレータ37の入出力信号である三角波tri、比較信号d(分圧電圧dv)及びPWM信号の特性例を示す図である。(1)は、一般的なコンパレータの構成を示す図である。(2)は、比較信号dが一定の大きさで増加する場合の特性を示し、(3)は、比較信号dが正弦波の場合の特性を示す。(2)及び(3)において、横軸は時間tを示し、縦軸は電圧を示す。
ここでは、(1)に示すコンパレータの正電源及び負電源には±12Vが供給されるものとする。コンパレータの反転入力ピンには比較信号d(分圧電圧dv)が入力され、非反転入力ピンには三角波triが入力され、出力ピンからPWM信号が出力される。このコンパレータは、図4に示したPWM生成回路14のコンパレータ37に対応する。
(2)に示すように、比較信号dが一定の大きさで増加すると、比較信号dの値(振幅)とPWM信号のプラス側(+12V)の信号幅とが比例するように、PWM信号が出力される。
また、(3)に示すように、比較信号dが正弦波の場合、当該正弦波の電圧値の上がり下がりに応じたPWM信号が出力される。すなわち、(2)と同様に、当該比較信号dの値(振幅値)とPWM信号のプラス側(+12V)の信号幅とが比例するように、PWM信号が出力される。
図6は、PWM信号の信号幅を一定にするための三角波tri及び比較信号dの関係(正比例の関係)を説明する図である。横軸は時間tを示し、縦軸は電圧を示す。
図5(2)及び(3)の特性を考慮すると、PWM信号の信号幅を一定にする(プラス側(+12V)の信号幅を一定とし、かつマイナス側(-12V)の信号幅も一定とする)ためには、三角波triの波高値が0から順次大きくなると、これに対応して比較信号dの値も0から順次大きくなる必要がある。また、三角波triの波高値が0へ向けて順次小さくなると、これに対応して比較信号dの値も0へ向けて順次小さくなる必要がある。つまり、PWM信号の信号幅を一定にするためには、三角波tri及び比較信号dは、正比例の関係にある必要がある。
したがって、三角波triと、比較信号dである分圧電圧dvとが正比例の関係にある場合には、時間tのタイミングにおける三角波triの振幅(時間tの三角波triの電圧値)及び分圧電圧dvの振幅(時間tの分圧電圧dvの電圧値)の比率が一定である限り、PWM信号の信号幅は常に一定となる。図6の場合、全ての時間tのタイミングにおいて、三角波triの振幅及び比較信号dの振幅の比率は一定である。
(交流入力電圧in、三角波tri、分圧電圧dv、PWM信号及び交流基準電圧波形oの関係)
次に、交流入力電圧in、三角波tri、分圧電圧dv、PWM信号及び交流基準電圧波形oの関係について説明する。
図7は、交流入力電圧inの振幅比が変動した場合の三角波tri等の特性例を示す図である。(1)は、基準の交流入力電圧inに対して、その振幅比が変動した場合の三角波tri、分圧電圧dv、PWM信号及び交流基準電圧波形oの特性を示し、(2)は、そのときの分圧電圧dv及び交流基準電圧波形oの関係を示す。横軸は時間tを示し、縦軸は電圧を示す。
(1)に示すように、交流入力電圧inの振幅比が0.8,1.0,1.2に変動すると、分圧電圧dvの振幅比も同様に変動し、三角波triの振幅比も同様に変動する。これは、交流入力電圧in、分圧電圧dv及び三角波triが正比例の関係にあるからである。
一方で、図6に示したとおり、三角波tri及び比較信号dが正比例の関係にある場合には、時間tのタイミングにおける三角波triの振幅及び比較信号dの振幅の比率が一定である限り、PWM信号の信号幅は常に一定となる。
そうすると、交流入力電圧inの振幅比の変動に伴い、これに対応して三角波triの振幅比及び比較信号dの振幅比も同様に変動した場合であっても、三角波triの振幅及び比較信号dの振幅の比率が一定である限り、PWM信号の信号幅は常に一定である。
つまり、交流入力電圧inの振幅比が0.8,1.0,1.2に変動したとしても、PWM生成回路14のコンパレータ37に入力される三角波triの振幅及び分圧電圧dv(比較信号d)の振幅の比率は、時間軸上の同一タイミングにおいて、三角波tri>分圧電圧dvであって同一となる。
例えば、図7のα1,α2,α3のタイミングは、交流入力電圧in(分圧電圧dv)の振幅が変化する時間軸上において同一である。α1,α2,α3のタイミングでは、三角波triの振幅及び分圧電圧dvの振幅の比率は同じであり、その結果、図6に示したとおり、PWM信号の信号幅も同じになる。
したがって、交流入力電圧inの振幅比が0.8,1.0,1.2に変動したとしても、図7に示すように、コンパレータ37から出力されるPWM信号の波形は同様となり、結果として、交流基準電圧波形oの波形も同様となる。
また、(2)に示すように、分圧電圧dvの振幅比が0.8,1.0,1.2に変動したとしても、結果として、交流基準電圧波形oの波形も同様となる。つまり、交流基準電圧波形oは、交流入力電圧inの振幅比が変動した場合であっても、一定の電圧を維持し、交流入力電圧inとの間で位相ズレがなく、かつ交流入力電圧inの波形と近似または相似の特性を有することとなる。このため、交流基準電圧波形oは、図1に示した電源機器100において、交流入力電圧inを交流出力電圧outに変換する際の基準電圧として用いることができる。
(補正回路12を使用しない場合)
次に、図3及び図4に示した交流基準電圧波形生成回路1において、補正回路12を使用しない場合について説明する。
前述のとおり、補正回路12を使用することで、整流直流電圧±rc及び三角波triを正比例の関係とし、三角波tri及び分圧電圧dvを正比例の関係とすることができる。これに対し、補正回路12を使用しない場合には、整流直流電圧±rc及び三角波triは正比例の関係とはならないため、三角波tri及び分圧電圧dvも正比例の関係とはならない。以下、詳細に説明する。
図8は、補正回路12を使用しない場合の三角波生成回路13における制御電圧±Va(整流直流電圧±rc)及び三角波triの特性例を示す図である。図8に示すように、補正回路12を使用しない場合、三角波生成回路13に備えたオペアンプ35には、制御電圧±Va(整流直流電圧±rc)が正電源及び負電源に供給される。図8に示す特性において、横軸は時間tを示し、縦軸は電圧を示す。
時間t=0~10msにおいて、制御電圧±Va(整流直流電圧±rc)を0Vから±15Vまでスイープ上昇及びスイープ下降させるものとする。
そうすると、図8に示すように、三角波生成回路13は、制御電圧±Va(整流直流電圧±rc)=±1.5Vとなったタイミング(t=1ms)から、三角波triの発振を開始する(α)。
三角波triの波高値をv(tri)とし、t=1msのときv(tri)=0V、t=10msのときv(tri)=+9Vとする。三角波triの波高値v(tri)は、制御電圧+Va(整流直流電圧+rc)を用いて、以下の式で表される。
[数1]
v(tri)=+Va(+rc)/1.5-1 ・・・(1)
前記式(1)は、制御電圧+Va(整流直流電圧+rc)が上昇すれば三角波triの波高値も大きくなる関係にあるが、両者は正比例の関係にないことを示している。すなわち、補正回路12を使用しない場合、整流直流電圧±rc及び三角波triは正比例の関係とはならない。つまり、PWM生成回路14に備えたコンパレータ37において、三角波tri及び分圧電圧dvも正比例の関係とはならない。
この場合、図7を参照して、交流入力電圧inの振幅比が変動した場合には、それぞれの振幅比の同じタイミングにおいて、三角波triの振幅及び分圧電圧dvの振幅の比率は一定にはならず、PWM信号の信号幅も一定にはならない。
したがって、交流入力電圧inの振幅比が変動した場合、PWM生成回路14のコンパレータ37に入力される三角波tri及び分圧電圧dvは、三角波tri>分圧電圧dvとなるが、コンパレータ37から出力されるPWM信号の波形は異なるものとなる。つまり、交流入力電圧inの振幅比が変動した場合、交流基準電圧波形oの波形は異なるものとなる。
したがって、交流基準電圧波形oは、交流入力電圧inの振幅比が変動した場合に、一定の電圧を維持することができない。このため、交流基準電圧波形oは、図1に示した電源機器100において、交流入力電圧inを交流出力電圧outに変換する際の基準電圧として用いることができない。
そこで、補正回路12を使用することで、整流直流電圧±rc及び三角波triを正比例の関係とし、三角波tri及び分圧電圧dvも正比例の関係とするようにした。これにより、交流基準電圧波形oを基準電圧として用いることができる。
図9は、制御電圧±Va(整流直流電圧±rc)と三角波triを正比例の関係とした場合の特性例を示す図である。横軸は時間tを示し、縦軸は電圧を示す。細線は、制御電圧+Va(+rc)、及び当該制御電圧+Vaに対応する三角波triの波高値を示す。太線は、補正回路12により制御電圧+Va(+rc)が補正された制御電圧+V、及び当該制御電圧+Vに対応する三角波triの波高値を示す。
図9に示す制御電圧+Va(+rc)、及びこれに対応する三角波triの波高値の特性(細線)は、図8に示した特性に相当し、三角波triは、制御電圧+Va(+rc)=1.5Vとなったタイミング(t=1ms)から発振を開始する。
これに対し、補正回路12により制御電圧+Va(+rc)が補正された制御電圧+V、及びこれに対応する三角波triの波高値の特性(太線)では、制御電圧+Vは、t=0msにて1.5Vから立ち上がるようにし、t=10msにて15Vとなるようにする。
そうすると、三角波triは、制御電圧+V=1.5Vのタイミング(t=0ms)から発振を開始するようになる。
図9に示す制御電圧+Vに対応する三角波triの波高値v(tri)は、整流直流電圧+rcを用いて、以下の式で表される。
[数2]
v(tri)=+rc×0.6 ・・・(2)
前記式(2)は、整流直流電圧+rcが上昇すれば三角波triの波高値も大きくなる関係にあり、両者は正比例の関係にあることを示している。すなわち、補正回路12が、細線に示した制御電圧+Vaである整流直流電圧+rcを、太線に示した制御電圧+Vに補正することにより(整流直流電圧±rcを制御電圧±Vに補正することにより)、整流直流電圧±rc及び三角波triは正比例の関係となる。つまり、PWM生成回路14に備えたコンパレータ37において、三角波tri及び分圧電圧dvも正比例の関係となる。
(補正回路12)
次に、補正回路12について詳細に説明する。前述のとおり、補正回路12は、整流回路11から入力した整流直流電圧±rcと、三角波生成回路13により生成される三角波triとが正比例の関係となるように、整流直流電圧±rcを補正し、直流の制御電圧±Vを生成する。つまり、補正回路12は、図9に示した細線の整流直流電圧+rcを、太線に示した制御電圧+Vに補正する(整流直流電圧±rcを制御電圧±Vに補正する)。
図10は、補正回路12の構成例を示す回路図である。この補正回路12は、負電源補正回路12-1及び正電源補正回路12-2を備えている。負電源補正回路12-1は、抵抗50,51を有する分圧回路56、並びにオペアンプ52及び抵抗53,54,55を有する反転加算回路57を備えている。正電源補正回路12-2は、抵抗60,61を有する分圧回路66、並びにオペアンプ62及び抵抗63,64,65を有する反転加算回路67を備えている。
±15Vは、直流定電圧電源3から入力した電圧である。分圧回路56の抵抗50,51は、+15Vを分圧し、α1の箇所(以下、α1点という。)に+1.5Vの電圧を生じさせる。つまり、α1点の電圧は、+15Vを、抵抗50の抵抗値R50=12.5k(Ω)及び抵抗51の抵抗値R51=1.5kにて分圧した+1.5Vである。
また、分圧回路66の抵抗60,61は、-15Vを分圧し、α2の箇所(以下、α2点という。)に-1.5Vの電圧を生じさせる。つまり、α2点の電圧は、-15Vを、抵抗60の抵抗値R60=12.5k及び抵抗61の抵抗値R61=1.5kにて分圧した-1.5Vである。
反転加算回路57は、オペアンプ52のゲイン及び抵抗53,54,55の値に従い、α1点の+1.5Vの電圧及び整流直流電圧+rcの反転加算を行い、オペアンプ52から制御電圧-Vを出力する。
オペアンプ52のゲインを1、抵抗53の抵抗値をR53、抵抗54の抵抗値をR54、抵抗55の抵抗値をR55、α1点の電圧をα1vとすると、制御電圧-Vは、以下の式にて表される。つまり、反転加算回路57は、以下の式に示す反転加算の演算を行うように動作する。
[数3]
-V=-{(R53/R54)×α1v+(R53/R55)×(+rc)} ・・・(3)
ここで、R53=10k,R54=10k,R55=11.11k、α1v=+1.5Vとすると、前記式(3)は、以下の式にて表される。
[数4]
-V≒-(1.5+0.9×rc) ・・・(4)
同様に、反転加算回路67は、オペアンプ62のゲイン及び抵抗63,64,65の値に従い、α2点の-1.5Vの電圧及び整流直流電圧-rcの反転加算を行い、オペアンプ62から制御電圧+Vを出力する。
オペアンプ62のゲインを1、抵抗63の抵抗値をR63、抵抗64の抵抗値をR64、抵抗65の抵抗値をR65、α2点の電圧をα2vとすると、制御電圧+Vは、以下の式にて表される。つまり、反転加算回路67は、以下の式に示す反転加算の演算を行うように動作する。
[数5]
+V=-{(R63/R64)×α2v+(R63/R65)×(-rc)} ・・・(5)
ここで、R63=10k,R64=10k,R65=11.11k、α2v=-1.5Vとすると、前記式(5)は、以下の式にて表される。
[数6]
+V≒1.5+0.9×rc ・・・(6)
前記式(4)及び前記式(6)は、図9に示した細線の制御電圧+Vaである整流直流電圧+rcと太線の制御電圧+Vとの間の関係、すなわち整流直流電圧±rcと制御電圧±Vとの間の関係を示している。
このように、補正回路12は、整流回路11から入力した整流直流電圧±rc及び直流定電圧電源3から入力した直流定電圧(±15V)を用いて、整流直流電圧±rcを制御電圧±Vに補正し、制御電圧±VをPWM生成回路14に出力する。この場合の整流直流電圧±rcと、三角波生成回路13により制御電圧±Vを用いて生成される三角波triとは、図9にて説明したとおり、正比例の関係にある。
図11は、補正回路12を使用する場合の三角波生成回路13における制御電圧±V及び三角波triの特性例を示す図である。図4に示したとおり、補正回路12を使用する場合、三角波生成回路13に備えたオペアンプ35には、補正回路12により生成された制御電圧±Vが正電源及び負電源に供給される。図11において、横軸は時間tを示し、縦軸は電圧を示す。
時間t=0~10msにおいて、整流直流電圧±rcを0Vから±15Vまでスイープ上昇及びスイープ下降させる。そうすると、制御電圧±Vは、±1.5Vから±15Vまで上昇及び下降し、三角波生成回路13は、制御電圧±V=±1.5Vのタイミング(t=0ms)から、三角波triの発振を開始する(β)。これは、前述の図8に示した補正回路12を使用しない場合において、三角波triの発振がt=1msのタイミングから開始する点で相違する。
この場合の三角波triの波高値v(tri)は、整流直流電圧±rcを用いて、以下の式で表される。この式は前記式(2)に対応している。
[数7]
v(tri)=±rc×0.6 ・・・(7)
前記式(7)は、制御電圧±Vが上昇または下降すれば三角波triの波高値も大きくなるという関係にあり、両者は正比例の関係にあることを示している。
〔シミュレーション結果〕
次に、計算機によるシミュレーション結果について説明する。図12は、交流入力電圧inの振幅比を変動させた場合のシミュレーション結果を示す図であり、図13は、交流入力電圧inの周波数を変動させた場合のシミュレーション結果を示す図である。
(1)及び(6)は交流入力電圧in、(2)は整流直流電圧±rc、(3)は制御電圧±V、(4)は三角波tri及び分圧電圧dv、(5)及び(7)は交流基準電圧波形oをそれぞれ示す。横軸は時間tを示し、縦軸は電圧を示す。
(1)の交流入力電圧inの振幅比を反映した波高値を200Vrms±30%変動させた場合、(2)の整流直流電圧±rc、(3)の制御電圧±V、(4)の三角波tri及び分圧電圧dv、及び(5)の交流基準電圧波形oの特性がそれぞれ得られる。c1は、交流入力電圧inの振幅比を200Vrms+30%とした場合の特性を示し、c2は、交流入力電圧inの振幅比を200Vrmsとした場合の特性を示し、c3は、交流入力電圧inの波高値を200Vrms-30%とした場合の特性を示す。
また、(6)の交流入力電圧inの周波数を50Hz及び60Hzに変動させた場合、(7)の交流基準電圧波形oの特性が得られる。d1は、交流入力電圧inの周波数を50Hzとした場合の特性を示し、d2は、交流入力電圧inの周波数を60Hzとした場合の特性を示す。
(1)~(7)から、交流入力電圧inの振幅比または周波数が変動した場合であっても、交流基準電圧波形oの振幅は一定値に制御され、位相のズレがないことがわかる。すなわち、図2にて説明したとおり、交流基準電圧波形oは、前述の(a)~(d)の特性を有することとなる。
以上のように、本発明の実施形態による交流基準電圧波形生成回路1によれば、交流分圧回路10は、交流入力電源2から入力した交流入力電圧inを変圧し、変圧後の交流電圧を分圧することで、分圧電圧dvを生成する。整流回路11は、交流分圧回路10から入力した変圧後の交流電圧を整流することで、整流直流電圧±rcを生成する。
補正回路12は、整流回路11から入力した整流直流電圧±rcと、後段の三角波生成回路13により生成される三角波triとが正比例の関係となるように、整流直流電圧±rc及び直流定電圧電源3から入力した直流定電圧(±15V)を用いて整流直流電圧±rcを補正し、制御電圧±Vを生成する。
三角波生成回路13は、補正回路12から入力した制御電圧±Vをオペアンプ35の正電源及び負電源に供給し、当該オペアンプ35から三角波triを出力する。
PWM生成回路14は、三角波生成回路13から入力した三角波tri及び交流分圧回路10から入力した分圧電圧dvを、コンパレータ37の反転及び非反転入力ピンにそれぞれ入力し、当該コンパレータ37の出力ピンからPWM信号を出力する。
LPF回路15は、PWM生成回路14から入力したPWM信号にLPFを施すことで、LPF後の信号を交流基準電圧波形oとして出力する。
ここで、交流入力電圧in及び整流直流電圧±rcは正比例の関係であり、交流入力電圧in及び分圧電圧dvも正比例の関係である。このため、補正回路12により、整流直流電圧±rc及び三角波triを正比例の関係とすることにより、交流入力電圧in、整流直流電圧±rc、三角波tri及び分圧電圧dvは正比例の関係となる。
これにより、交流基準電圧波形生成回路1が入力する交流入力電圧inの振幅比及び/または周波数が変動した場合であっても、前述の(a)~(d)の関係を有する交流基準電圧波形oを生成することができる。すなわち、交流入力電圧inの位相と一致し、かつ振幅が一定となる等の所定の特性を有する交流基準電圧波形oを生成することができる。また、交流基準電圧波形生成回路1は、CPU、PLL回路等を用いない一般的な素子により構成されるため、部品の入手が容易であり、安価にかつ容易に製作することができる。
〔電源機器100〕
次に、図3及び図4に示した交流基準電圧波形生成回路1を備えた、図1に示した電源機器100について具体例を挙げて説明する。図14は、交流基準電圧波形生成回路1を用いた実施例1の電源機器100の全体構成例を示すブロック図である。
実施例1の電源機器100は、交流入力電圧inの波形の変動をリニアアンプにより補正し、交流基準電圧波形oを一定に維持して出力する交流安定化電源70である。この交流安定化電源70は、交流基準電圧波形生成回路1、交流出力電圧波形検出回路71、比較器72、リニアアンプ73及びトランス74を備えている。
交流基準電圧波形生成回路1は、図3及び図4に示した交流基準電圧波形生成回路1と同様であるため、ここでは説明を省略する。交流基準電圧波形生成回路1により生成された交流基準電圧波形oは、比較器72へ出力される。
交流出力電圧波形検出回路71は、交流安定化電源70が出力する交流出力電圧outの波形を検出する。交流出力電圧波形は、比較器72へ出力される。
比較器72は、交流基準電圧波形生成回路1から交流基準電圧波形oを入力すると共に、交流出力電圧波形検出回路71から交流出力電圧波形を入力する。そして、比較器72は、交流基準電圧波形oと交流出力電圧波形とを比較し、比較結果の誤差をリニアアンプ73に出力する。
リニアアンプ73は、比較器72から誤差を入力し、当該誤差が小さくなるように、誤差を電力増幅し、電力増幅後の信号をトランス74に出力する。トランス74は、交流入力電圧inに対し、電力増幅後の信号の電圧波形を加算または減算することで、交流入力電圧inを変圧して交流出力電圧outを出力する。
これにより、交流安定化電源70の入出力信号間に直列に挿入したトランス74にて、交流入力電圧inに対し、リニアアンプ73により電力増幅された信号の波形が加算または減算され、交流出力電圧outの波形が補正される。
したがって、交流安定化電源70から、交流入力電圧inの位相と一致し、かつ振幅が一定となる等の特性を有する交流出力電圧outが出力される。
図15は、交流基準電圧波形生成回路1を用いた実施例2の電源機器100の全体構成例を示すブロック図である。実施例2の電源機器100は、交流入力電圧inを任意に昇圧または降圧する高周波スイッチングを用いた定電圧機能付き絶縁型電子変圧器80である。この定電圧機能付き絶縁型電子変圧器80は、交流基準電圧波形生成回路1、全波整流回路81,85、PWM生成回路82,88、インバータ83,89、トランス84、交流出力電圧波形検出回路86、比較器87及びLPF回路90を備えている。
定電圧機能付き絶縁型電子変圧器80は、基本的には交流入力電圧inを全波整流し、インバータ83を一定のパルス幅ドライブにて運用する。そして、定電圧機能付き絶縁型電子変圧器80は、トランス84の2次側に備えたインバータ89にて、交流入力電圧inをエンベローブした相似の波形を出力する。
交流基準電圧波形生成回路1は、図3及び図4に示した交流基準電圧波形生成回路1と同様であるため、ここでは説明を省略する。交流基準電圧波形生成回路1により生成された交流基準電圧波形oは、比較器87へ出力される。
全波整流回路81は、交流入力電圧inを全波整流する。全波整流後の電圧は、インバータ83へ出力される。PWM生成回路82は、所定のキャリアを用いてPWM信号を生成し、PWM信号をインバータ83に出力する。
インバータ83は、全波整流回路81から全波整流後の電圧を入力すると共に、PWM生成回路82からPWM信号を入力する。そして、インバータ83は、PWM信号に基づいてスイッチング素子のゲートをオンオフし、全波整流後の電圧を交流電圧に変換する。交流電圧はトランス84へ出力される。
トランス84は、インバータ83から交流電圧を入力して変換する。変換後の交流電圧は全波整流回路85へ出力される。全波整流回路85は、トランス84から交流電圧を入力し、交流電圧を全波整流する。全波整流後の電圧は、インバータ89へ出力される。
交流出力電圧波形検出回路86は、定電圧機能付き絶縁型電子変圧器80が出力する交流出力電圧outの波形を検出する。交流出力電圧波形は、比較器87へ出力される。
比較器87は、交流基準電圧波形生成回路1から交流基準電圧波形oを入力すると共に、交流出力電圧波形検出回路86から交流出力電圧波形を入力する。そして、比較器87は、交流基準電圧波形oと交流出力電圧波形とを比較し、比較結果の誤差をPWM生成回路88に出力する。
PWM生成回路88は、比較器87から誤差を入力し、誤差に基づいてPWM信号を生成し、PWM信号をインバータ89に出力する。
インバータ89は、全波整流回路85から全波整流後の電圧を入力すると共に、PWM生成回路88からPWM信号を入力する。そして、インバータ89は、PWM信号に基づいてスイッチング素子のゲートをオンオフし、全波整流後の電圧を交流電圧に変換する。交流電圧はLPF回路90へ出力される。インバータ89が駆動することにより、交流出力用のPWM波形を得ることができる。
LPF回路90は、インバータ89から交流電圧を入力し、交流電圧にLPFを施すことで、所定の遮断周波数より高い周波数の成分を低減させ、LPF後の信号を交流出力電圧outとして出力する
これにより、比較器87により演算された誤差に応じて、交流出力電圧outの波形が補正される。したがって、定電圧機能付き絶縁型電子変圧器80から、交流入力電圧inの位相と一致し、かつ振幅が一定となる等の特性を有する交流出力電圧outが出力される。
尚、定電圧機能付き絶縁型電子変圧器80は、交流入力電圧inを全波整流するが、平滑用の大容量のコンデンサを備えていない。また、定電圧機能付き絶縁型電子変圧器80は、トランス84の2次電圧を全波整流するが、平滑用の大容量のコンデンサを備えていない。全波整流回路81,85により全波整流された電圧を平滑しないのは、インバータ83,89に入力される電圧を交流電圧に変換する際に、不要な電圧部分を除外することができるからである。
したがって、インバータ83,89は、全波整流後の電圧を入力することで、スイッチング素子にて発生するスイッチングロスを大幅に低減することができ、結果として、高効率かつ入力力率の高い定電圧機能付き絶縁型電子変圧器80を実現することができる。
以上、実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その技術思想を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
例えば、図3及び図4に示した直流定電圧電源3は、直流定電圧(±15V)を交流基準電圧波形生成回路1へ供給するようにしたが、直流定電圧として±15V以外の電圧を供給するようにしてもよい。
また、図10に示した補正回路12に備えた抵抗50,51,53~55,60,61,63~65の抵抗値は例示であり、補正回路12が整流直流電圧±rcと三角波triとが正比例の関係となるように制御電圧±Vを生成できれば、抵抗値は何でもよい。