JPH0584086B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、信号変換器と複数個の増幅器段と低
域通過フイルタとを有するスイツチ増幅器に関す
る。前記の信号変換器は、増幅すべき１つの入力
信号を、互いに位相がずらされパルス増変調され
た対をなすパルス列へ変換するようにし、前記の
増幅器段の各々は、各パルス列を増幅する少なく
とも１つの切換段を有しており、この切換段は少
なくとも１つの切換素子と１つの変成器を有して
おり、前記の切換素子は複数個のパルス列のうち
の１つにより制御され、切換素子として電力半導
体、電子管、またはこれらの組み合わせ体を用い
るようにし、前記の変成器の１次巻線は、前記切
換素子を介して供給電圧源と接続されており、か
つ前記変成器の２次巻線は、他の切換段の変成器
の２次巻線と直列接続されており、さらに前記の
低器通過フイルタは、増幅された複数個のパルス
列を増幅された１つのアナログ信号へ変換するた
めに、前記の２次巻線の直列接続体と接続されて
いる。

従来の技術 この種のスイツチ増幅器は、出力電圧が高い場
合に大きな出力を発生するために構成されたもの
であり、Ｄ級増幅器の良好な効率を有する。従来
用いられてきた直線増幅器は、高電圧で給電さ
れ、その特殊な増幅管の実用寿命は比較的短い
が、この公知の直線増幅器と比較して、スイツチ
増幅器は、直線増幅器に匹敵する特性を有し、整
流された電源電圧により容易に作動することがで
き、寿命の長い市販の半導体スイツチ素子及び比
較的小さな変成器を備えている。

このスイツチ増幅器の実施例は送信機の送信管
用の変調器として用いると特に有利であるが、こ
うした実施例は、ドイツ連邦共和国特許出願公開
第2935445号公報に記載されている。こうしたス
イツチ増幅器は、数個の並列に作動する増幅段を
有し、かつこの各増幅段は、それぞれ２つの切換
段と１つの信号変換器とを有している。この信号
変換器は、入力信号を、幅変調パルスを有する２
つの180°位相のずれたパルス列に変換する。各パ
ルス列は、増幅段の切換段におけるスイツチ素子
を制御する。それにより変成器の飽和が回避さ
れ、各増幅段を100％制御することができる。こ
うした作動形式において、各切換段ないし各変成
器は、パルス列の各周期の間に１回励振される。

切換操作の数を低減するために、信号変換器を
用いることが既に提案されている（スイス連邦特
許出願第992／81号明細書）。この信号変換器は、
入力信号を多数のパルス列の対に変換する。これ
らの対の180°位相のずれたパルス列は、変成器の
飽和時間によつて制限された最大持続時間を有す
るパルスより成る。その際、パルス列の対の数
は、アナログ入力信号に依存して変調される。

さらに、この変成器をプツシユプル変成器とし
て構成することも既に提案されている（スイス連
邦特許出願第116／82号明細書）。このようにする
と、２つのパルス列又は１つのパルス列の対によ
り、同一の変成器を励起することが可能となり、
それゆえスイツチ増幅器における変成器の総数を
半減できる。

１つのスイツチ増幅器においては、変成器の変
調又は励振の方法とは無関係に、増幅器における
損失及び出力信号のひずみが、主に変成器の構成
および特性によつて定められる。

発明の解決しようとする課題 したがつて本発明の課題は、スイツチ増幅器の
変成器が最小の変成損失で最良の変成特性を保証
するように、当該スイツチ増幅器を構成すること
にある。

課題を解決するための手段 本発明によればこの課題は、以下の構成により
解決される。すなわち、各変成器は、電位的に浮
かして配置されたリングコアを有しており、各変
成器の２次巻線は、対応するリングコア上に巻回
され高周波リツツ線または偏平な帯状体から成る
複数個の巻線を有しており、前記２次巻線は絶縁
ケーシングに囲まれており、各変成器の１次巻線
は、前記絶縁ケーシング上に巻回されており、さ
らに該１次巻線は、高周波リツツ線または偏平な
帯状体から成る複数個の巻線を有しており、外部
ケーシングは各々の変成器を取り囲んでおり、当
該外部ケーシングは絶縁材で充填されており、さ
らに、前記リングコアの中心部に、熱の良導体材
料から成る心軸が設けられている構成により解決
される。

発明の利点 上記の構成によつて、冒頭で述べた形式のスイ
ツチ増幅器の変成器に対してなされる以下の要求
を満たすことができる。すなわち、 ａ １次巻線と２次巻線間の高い耐電圧特性（例
えば50kV） ｂ 大きな電力の変成（例えば30kWのパルス電
力） ｃ １次巻線と２次巻線間の小さな容量（例えば
250pFよりも僅かな容量） ｄ ほぼ理想的な両者間の結合状態（例えば
0.999以上の結合係数） ｅ 広い変成帯域幅（例えば50Hz〜1MHz） 次に、上記の要求ａ）〜ｅ）に関連して本願発
明の独特かつ優れた構成により生じる構成、利点
ならびに効果について説明する。

ａについて： 理想的な結合状態に対する要求ｄ）のために、
両方の巻線は互いに上下に巻回されている。しか
しこのような構成にもかかわらず、２次巻線を絶
縁ケーシングで取り囲むことにより、高い耐電圧
特性に対する要求ａ）も満たすことができる。

ｂについて： 高い変成電力に対する要求ｂ）を満たすために
は、コアが大きな横断面積を有するようにし、か
つ著しく効果的な熱伝導が行われるように構成す
る。しかしこのことは、１次巻線と２次巻線間の
僅かな容量に対する要求ｃ）とは、つまり小さな
横断面積で構成することとは相反する。

本願発明によれば、例えばフエライト材または
薄いリングコア帯状体から成るリングコアの中心
部に冷却体が、つまり冷却用の心軸が設けられて
おり、この構成により横断面積を極端に大きくす
ることなく高い変成電力が達成し、かつ極めて効
果的な熱伝導を行うことができる。

ｃについて： １次巻線と２次巻線の間の容量を僅かにするた
めにはまず第１に、小さな変成器が求められる。
容量に対する要求に関していえば、２次巻線を外
側ではなく内側に、電位的に浮動したリングコア
上に配置する構成は、極めて有利である。この構
成により、高電位にある２次巻線の容量がリング
コアの方へ内側へ向かつて作用することはない。

ｄについて： 本願発明によるリングコアの構成、ならびに１
次巻線と２次巻線を上下に巻回することにより、
良好な結合状態が達成される。

ｅについて： 広い変成帯域幅は、例えばフエライト材または
リングコア帯状体でリングコアを構成することに
より達成されるが、周波数範囲を広げる目的で、
高い変成電力にもかかわらず、巻線材料として高
周波リツツ線が用いられている。

特許請求の範囲第２項以下には、本発明による
スイツチ増幅器の有利な実施形態が示されてい
る。

実施例の説明 次に本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明
する。

第１図の回路略図に示すスイツチ増幅器は、パ
ルス変調器１０と、増幅段１１，１２，１３と、
多数整流器装置１６，１７，１８，１９，２１，
２２の直列回路１４と、低減フイルタ２３とを有
している。それぞれの増幅段は、２つの切換段２
５，２６；２７，２８；２９，３０に対応して設
けられている。さらにこのスイツチ増幅器は、増
幅すべきアナログ入力信号に対する入力端子３２
と、２つの制御信号線路３３，３４と、供給電圧
線路３６と、出力端子３８を有している。前記の
２つの制御信号線路３３，３４のそれぞれは、パ
ルス変調器１０の信号出力側を各増幅段における
切換段の信号入力側に接続している。又、前記供
給電圧線路３６は、供給電圧源３７を各切換段の
供給電圧入力側に接続している。さらに前記出力
端子３８は、低域フイルタ２３の出力側に接続さ
れ、増幅されたアナログ出力信号を取り出すため
に設けられている。

第２図に示す切換段４０の実施例は変成器４１
を有している。この変成器の１次巻線４２の端子
は、スイツチトランジスタ４３を介して供給電圧
線路４６に接続され、スイツチトランジスタ４４
を介してアース線４７に接続されている。これら
のスイツチトランジスタの制御電極は、制御信号
変成器５１の２次巻線４８又は４９に接続されて
いる。この制御信号変成器５１の１次巻線５２
は、第１図に図示の制御信号線路３３又は３４の
１つと接続されている。変成器４１の１次巻線４
２及びスイツチトランジスタ４３，４４のそれぞ
れに並列に、ダイオード５３又は５４が接続され
ている。これらのダイオードは、それらの所属の
スイツチトランジスタを電流の遮断の際に過電圧
から保護する。

変成器４１の２次巻線５６には整流器装置５７
が接続されている。この整流器装置５７において
は、２次巻線５６の一方の端子は直接に、又他方
の端子はダイオード５８を介して、第１図に図示
の直列回路１４の導線５９と接続されている。こ
のダイオード５８の導線５９の接続点と２次巻線
５６の導線５９との接続点との間にダイオード６
１が接続されている。

上述のスイツチ増幅器の作動の際、増幅すべき
アナログ信号が入力端子３２を介してパルス変調
器１０に供給される。するとパルス変調器１０の
出力側から、パルス幅変調され180°位相のずれた
パルスを有する２つのパルス列が現われる。各パ
ルス列は、制御信号線路３３，３４の一方を介し
て、増幅段１１，１２，１３における切換段２
５，２７，２９又は２６，２８，３０のうちの各
１つの制御信号入力側に供給される。この切換段
においてパルス列は制御信号変成器５１により、
２つのスイツチトランジスタ４３，４４に対する
制御信号に変えられる。この変成器の２次巻線へ
のスイツチトランジスタの制御電極の接続は、次
の様に選定されている。すなわち、スイツチトラ
ンジスタが、個々のパルスの持続時間の間導通状
態となり、かつ供給電圧線路４６から電流が変成
器４１の１次巻線４２を通つて流れるように選択
する。この変成器４１の２次巻線５６に誘起され
た電流は、整流器装置５７を介して、単方向のパ
ルスとして直列回路１４に供給される。そのよう
にして低域フイルタ２３の入力側に信号が現われ
る。この信号は、切換段及び整流器装置によつて
作られるすべての単方向のパルスが重畳されたも
のに対応する。そして低域フイルタの出力側から
増幅されたアナログ信号が取出される。

こうした動作は、冒頭に挙げた公開公報に詳述
されているので、ここでは詳細な説明は省略す
る。

こうしたスイツチ増幅器の実施例は、放送用送
信機用の変調増幅器として用いられる。このスイ
ツチ増幅器は、それぞれ２つの切換段を備えた48
個の増幅段を有し、かつこのスイツチ増幅器は
500V＝の供給電圧、変成比１：１，２にて直流
回路の端部すなわち低域フイルタの入力側におい
て28kVのピーク電圧及び1400kWの出力を有す
るパルスを発生することができる。

所定の出力電力及び出力電圧を有するスイツチ
増幅器に対しては、必要な数の増幅段ないし切換
段が設けられ、また回路素子の電流と耐電圧によ
り最高の許容供給電圧が与えられる。大きな出力
電力及び出力電圧を有しまたそれに相応して多数
の切換段を有するスイツチ増幅器においては、各
切換段に所属の変成器は、従来使用されてきた変
成器によつては満たされない作動条件を有してい
る。既述のように、例えば切換段によつて変成さ
れたパルスは、直列線路に沿つて重畳される。そ
の結果、直列線路における最後の変成器（第１図
では切換段３０における変成器）の２次巻線と１
次巻線との間の電位差が実際にスイツチ増幅器の
出力電圧に相当する。さらに、直列線路における
最初の変成器（第１図では切換段２５における変
成器）の１次巻線を通して電流が流れると、２次
巻線に誘起された電流により、直列線路にあるす
べての変成器の容量が充電される。その際充電電
流は、１次回路の回路素子に対して許容される電
流を超過してはならない。つまり、この変成器
は、例えば50Hzから1MHzの広い周波数帯の変成
に適したものでなければならず、制御限界内にお
いてできるだけ僅かな非線形ひずみ（ひずみ率）
を有さねばならない。

第３図は変成器の縦断面を示し、第４図はその
横断面図を示す。この変成器は、強い出力電力を
有する多段スイツチ増幅器において用いるのが特
に適している。この変成器は、電位的に浮動に配
置したリングコア７０を有している。そしてこの
リングコア７０に２次巻線７１，７１′が巻きつ
けられている。この２次巻線は絶縁ケーシングに
よつて包囲されている。このケーシングは、内側
及び外側のシリンダ７２，７３と環状の底板７４
及び環状の被覆板７５より成る。ケーシングの内
部空間及び２次巻線の巻線間の空間には絶縁材７
７が注入されている。絶縁ケーシングには１次巻
線７８，７８′の巻線が巻きつけてある。巻線ブ
ロツクは基板７９上に載置されており、また巻線
ブロツクによつて囲まれた円筒形の内部空間に
は、心軸８１が配置されている。この心軸８１
は、良好に熱を伝導するように基板と結合されて
いる。巻線ブロツクは、キヤツプ８２によつて包
囲されている。このキヤツプ８２の開口部の縁は
基板に固定されている。１次巻線７８，７８′の
巻線間の空間、１次巻線と心軸８１及びキヤツプ
８２の内壁の間の空間にも同様に絶縁材８３が注
入されている。さらにこの変成器は、２次巻線の
２つの端部８６，８６′の導入、導出を絶縁して
行うため絶縁スリーブ８４を有している。このス
リーブは、キヤツプ８２の穿孔及び１次巻線の２
つの巻回線の間を通して、絶縁ケーシングの被覆
板に挿入されている。１次巻線の端部８７，８
７′を導入、導出するために、キヤツプ８２に１
つの穴８８があけられている。

上述の変成器の実施例の場合、電位的に浮動に
配置したコアは、残留磁気の小さなフエライト材
より成るリングコアとして形成されている。この
リングコアの平均の直径は11cm、横断面積は27cm²
である。電位的に浮動に配置したリングコアに巻
きつけられた２次巻線は、直径５mmの高周波リツ
ツ線の約40巻回から成る。２次巻線及び１次巻線
の間の絶縁ケーシングとして、非常に僅かな誘電
損失角tanδ及び比較的高い誘電率を有する特殊な
注入樹脂が用いられている。絶縁ケーシング上、
ひいては２次巻線の外側に配置された１次巻線
は、同様に直径５mmの高周波リツツ線を約35巻回
されたものである。損失熱を基板へ伝導するため
に、直径３cmのアルミニウム製の心軸が用いられ
ている。巻線を巻きつけたリングコアをケーシン
グ内へ収納した後、変成器は公知のように、その
真空装置内で高い絶縁性を有する絶縁材が流し込
まれる。

上述の変成器により、50Hzから1MHzまでの周
波数範囲の単極及び双極のパルスを変成すること
ができる。パルス電力は、変成器の１：１の制御
比及び500V＝の電圧の際、30kWの値にまでな
る。損失熱の放熱は、変成器の負荷が高い場合も
良好に行われる。２次巻線と電位的に浮動に配置
したリングコアとの間の容量は、パルスの変成に
実質的に影響を与えない。１次巻線と２次巻線の
間には電気的シールドが設けられていないので、
うず電流損は実際に生じない。

所要の特性の変成器は、必ずしも実施例に示し
た図の形態や既述の寸法を有する必要はなく、又
既述の素材で製作する必要もないことは云うまで
もない。例えば、フエライト材より成る継ぎ目な
しのリングコアの代りに、薄いリングコア帯で巻
いたコアを用いたり、又は既述の高周波リツツ線
の代りに、相応する偏平な帯状導体を用いること
も可能であり、又損失熱をより良好に伝導放出す
るために設けられた心軸を設けないことも可能で
ある。

切換段を１つのみ有する増幅段に対しては、１
次コイルにセンタータツプを設け、かつ巻線の２
つの端部を、180°位相をずらして制御される回路
素子を介して、供給電圧源と接続することも可能
である。

また、１次巻線の各端部の第１の回路素子を供
給電圧源のプラス端子に、第２の回路素子を供給
電圧源のマイナス端子に接続し、電流の流れを一
方又は他方の方向に可能にする回路素子を対にて
制御することも可能である。この後者の実施例に
おいては、１次巻線のセンタータツプは必要な
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例の数個の増幅段を有
するスイツチ増幅器の主要部略図、第２図は、単
極パルスに対する切換段のブロツク回路図、第３
図は、変成器の実施例の縦断面図、第４図は、第
３図の変成器を直線Ａ−Ａに沿つて切つた横断面
図である。 １０……パルス変調器、１１，１２，１３……
増幅段、１４……直列回路、１６，１７，１８，
１９，２１，２２……整流器装置、２３……低域
フイルタ、２５，２６，２７，２８，２９，３０
……切換段、４０……切換段、４１……変成器、
４２……１次巻線、４３，４４……スイツチトラ
ンジスタ、５１……制御信号変成器、５６……２
次巻線、５７……整流器装置、７０……リングコ
ア、７１，７１′……２次巻線、７８，７８′……
１次巻線、８１……心軸。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ スイツチ増幅器であつて、 ａ 増幅すべき１つの入力信号を、互いに位相が
   ずらされパルス幅変調された対をなすパルス列
   へ変換する信号変換器１０と、 ｂ 複数個の増幅器段１１，１２，１３が設けら
   れており、該増幅器段の各々は、各パルス列を
   増幅する少なくとも１つの切換段２５〜３０；
   ４０を有しており、 ｃ 前記切換段２５〜３０；４０は、少なくとも
   １つの切換素子４３，４４と１つの変成器４１
   を有しており、 前記切換素子４３，４４は複数個のパルス列
   のうちの１つにより制御され、切換素子として
   電力半導体、電子管、またはこれらの組み合わ
   せ体を用いるようにし、 前記変成器４１の１次巻線４２は、前記切換
   素子４３，４４を介して供給電圧源４６と接続
   されており、かつ前記変成器４１の２次巻線５
   ６は、他の切換段の変成器の２次巻線と直列接
   続されており、 ｄ さらに低域通過フイルタ２３が設けられてお
   り、該低域通過フイルタは、増幅された複数個
   のパルス列を増幅された１つのアナログ信号へ
   変換するために、前記の２次巻線の直列接続体
   と接続されている形式のスイツチ増幅器におい
   て、 ｅ 各変成器４１は、電位的に浮かして配置され
   たリングコア７０を有しており、 ｆ 各変成器４１の２次巻線５６，７１，７１′
   は、対応するリングコア７０上に巻回され高周
   波リツツ線または扁平な帯状体から成る複数個
   の巻線を有しており、 ｇ 前記２次巻線５６，７１，７１′は絶縁ケー
   シング７２，７３，７４，７５に囲まれてお
   り、 ｈ 各変成器４１の１次巻線４２，７８，７８′
   は、前記絶縁ケーシング７２，７３，７４，７
   ５上に巻回されており、さらに該１次巻線４
   ２，７８，７８′は、高周波リツツ線または偏
   平な帯状体から成る複数個の巻線を有してお
   り、 ｉ 外部ケーシング７９，８２が各々の変成器４
   １を取り囲んでおり、当該外部ケーシング７
   ９，８２は絶縁材８３で充填されており、さら
   に、 ｊ 前記リングコア７０の中心部に、熱の良導体
   材料から成る心軸８１が設けられていることを
   特徴とするスイツチ増幅器。 ２ 変成器４１のリングコア７０は残留磁気の小
   さいフエライト材から成り、前記リングコア７０
   の直径は10cmよりも大きく、かつその横断面積は
   20cm²よりも大きい、特許請求の範囲第１項記載の
   スイツチ増幅器。 ３ 前記変成器４１のリングコア７０は薄いリン
   グコア帯状体から成り、前記リングコア７０の直
   径は10cmよりも大きく、かつその横断面積は20cm²
   よりも大きい、特許請求の範囲第１項記載のスイ
   ツチ増幅器。 ４ 前記２次巻線５６，７１，７１′の高周波リ
   ツツ線は約５mmの直径を有する、特許請求の範囲
   第２項または第３項記載のスイツチ増幅器。 ５ 前記変成器４１は、 ａ 50Hz〜1MHzの変成帯域幅を有しており、 ｂ １次巻線と２次巻線の間において、少なくと
   も50kVの耐電圧特性と、少なくとも0.999の結
   合係数と、250pFよりも僅かな容量とを有して
   おり、さらに、 ｃ １：１の変換制御比のもとで１次巻線におけ
   る直流電圧が500Vであるときに、少なくとも
   30kWのパルス電力を変成するようにした、 特許請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項
   記載のスイツチ増幅器。