(57)【要約】【課題】電力変換装置を小型化すること。【解決手段】デジタルアンプ１は、第１のエネルギー変換部５１および第２のエネルギー変換部５２を有するエネルギー変換装置５０と、キャパシタＣ１、Ｃ２と、を備える。のデジタルアンプ１は、エネルギー変換装置５０を制御して、接点Ｊ１の電圧を制御することで、キャパシタＣ１にチャージされている電力と、キャパシタＣ２にチャージされている電力と、の和を、接点Ｊ２の電圧Ｖ２が取り得る最大値を印加した場合にキャパシタＣ２にチャージされる電力に保つ。【選択図】図１
2010283910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量および容量負荷と、
前記容量に蓄えられた電力を前記容量負荷に伝達する電力伝達手段と、
前記容量に印加されている電圧と、前記容量負荷に印加されている電圧と、に基づいて、前記容量に印加する電圧を制御する電圧制御手段と、を備え、
前記電圧制御手段は、
前記容量に印加されている電圧と、前記容量負荷に印加されている電圧と、に基づいて、前記容量に印加する電圧を制御して、前記容量に蓄えられている電力と、前記容量負荷に蓄えられている電力と、の和を所定値に保つことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記容量は、容量負荷で構成されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記容量負荷に印加される電圧の最大値を最大電圧とするとともに、
前記最大電圧を印加した場合に前記容量に蓄えられる電力と、前記最大電圧を印加した場合に前記容量負荷に蓄えられる電力と、の和を最大総電力とすると、
前記所定値は、前記最大総電力に等しいことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記容量負荷に蓄えられた電力を前記容量に伝達する電力回生手段を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記容量負荷は、ピエゾ素子であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記容量は、ピエゾ素子であることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンプ、充電器、放電器等の電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電力変換装置として、デジタルアンプがある（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
図１４は、従来例に係るデジタルアンプ１００の回路図である。デジタルアンプ１００は、電力変換部１２０と、電力変換部１２０に電圧を印加する電圧印加部１１０と、を備える。
【０００４】
電圧印加部１１０は、インダクタＬ１と、ダイオードＤ１と、キャパシタＣ１と、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴで構成されるスイッチ素子Ｑ１と、第１制御部１１１と、を備える。
【０００５】
インダクタＬ１の一端には、端子Ａが接続され、インダクタＬ１の他端には、ダイオードＤ１のアノードと、スイッチ素子Ｑ１のドレインと、が接続される。ダイオードＤ１のカソードには、第１制御部１１１と、キャパシタＣ１の一方の電極と、が接続される。なお、以降では、ダイオードＤ１のカソードと、第１制御部１１１と、キャパシタＣ１の一方の電極と、の接点を、接点Ｊ１とする。
【０００６】
キャパシタＣ１の他方の電極と、スイッチ素子Ｑ１のソースとは、接地される。スイッチ素子Ｑ１のゲートには、第１制御部１１１が接続される。第１制御部１１１には、接点Ｊ１と、スイッチ素子Ｑ１のゲートと、に加えて、端子Ｄが接続される。
【０００７】
以上の構成を備える電圧印加部１１０では、第１制御部１１１は、端子Ｄから入力される基準信号Ｒｅｆ１と、接点Ｊ１と同電圧であるフィードバック信号ＦＢ１と、に応じて、制御信号をスイッチ素子Ｑ１のゲートに供給する。スイッチ素子Ｑ１は、供給された制御信号に応じて、スイッチングする。
【０００８】
端子Ａから入力信号ＩＮが入力されると、この入力信号ＩＮは、スイッチ素子Ｑ１のスイッチングに応じて、インダクタＬ１およびダイオードＤ１を介して、キャパシタＣ１の一方の電極に供給される。これにより、キャパシタＣ１は、チャージされる。
【０００９】
なお、基準信号Ｒｅｆ１の電圧は、時間によらず一定である。このため、第１制御部１１１は、定電圧である基準信号Ｒｅｆ１に対するフィードバック信号ＦＢ１の電圧に応じて、スイッチ素子Ｑ１のゲートに制御信号を供給することとなる。その結果、接点Ｊ１は、定電圧となる。
【００１０】
電力変換部１２０は、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴで構成されるスイッチ素子Ｑ２と、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴで構成されるスイッチ素子Ｑ３と、インダクタＬ２と、キャパシタＣ２と、第２制御部１２１と、を備える。
【００１１】
スイッチ素子Ｑ２のソースには、上述の接点Ｊ１が接続され、スイッチ素子Ｑ２のドレインには、スイッチ素子Ｑ３のドレインと、インダクタＬ２の一端と、が接続される。インダクタＬ２の他端には、キャパシタＣ２の一方の電極と、端子Ｂと、第２制御部１２１と、が接続される。なお、以降では、インダクタＬ２の他端と、キャパシタＣ２の一方の電極と、端子Ｂと、第２制御部１２１と、の接点を、接点Ｊ２とする。
【００１２】
キャパシタＣ２の他方の電極と、スイッチ素子Ｑ３のソースとは、接地される。スイッチ素子Ｑ２、Ｑ３のゲートには、第２制御部１２１が接続される。第２制御部１２１には、接点Ｊ２と、スイッチ素子Ｑ２のゲートと、スイッチ素子Ｑ３のゲートと、に加えて、端子Ｃが接続される。
【００１３】
以上の構成を備える電力変換部１２０では、第２制御部１２１は、端子Ｃから入力される制御信号Ｓｉｇと、接点Ｊ２と同電圧であるフィードバック信号ＦＢ２と、に応じて、制御信号をスイッチ素子Ｑ２のゲートおよびスイッチ素子Ｑ３のゲートに供給する。スイッチ素子Ｑ２、Ｑ３は、供給された制御信号に応じて、スイッチングする。
【００１４】
スイッチ素子Ｑ２がオン状態でかつスイッチ素子Ｑ３がオフ状態の場合には、インダクタＬ２の一端は、接点Ｊ１と導通する。一方、スイッチ素子Ｑ２がオフ状態でかつスイッチ素子Ｑ３がオン状態の場合には、インダクタＬ２の一端は、接地される。このため、インダクタＬ２の一端の電圧は、スイッチ素子Ｑ２、Ｑ３のスイッチングに応じて変化する。
【００１５】
インダクタＬ２の一端の電圧は、インダクタＬ２およびキャパシタＣ２を含んで構成されるフィルタによりリップルを低減され、出力信号ＯＵＴとして端子Ｂから出力される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】ｈｔｔｐ：／／ｊａｐａｎ．ｍａｘｉｍ−ｉｃ．ｃｏｍ／ａｐｐｎｏｔｅｓ．ｃｆｍ／ａｎ＿ｐｋ／３９７７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上述のデジタルアンプ１００では、キャパシタＣ２をチャージする際の急激な負荷変動に対応するために、キャパシタＣ１にチャージされている電力を用いる。
【００１８】
ところが、上述のように、接点Ｊ１は定電圧であるため、キャパシタＣ１にチャージされている電力は、略一定となる。このため、キャパシタＣ１にチャージされている電力ではキャパシタＣ２をチャージする際の急激な負荷変動に対応できない場合には、入力信号ＩＮの電力を用いることとなり、入力信号ＩＮを端子Ａに供給する供給源に負荷がかかってしまう。
【００１９】
そこで、接点Ｊ１が定電圧の場合に、この接点Ｊ１に一方の電極が接続されたキャパシタＣ１でチャージできる電力量を増加させるためには、キャパシタＣ１の容量を大きくする必要がある。ところが、キャパシタＣ１の容量を大きくすると、キャパシタＣ１が大型化してしまい、キャパシタＣ１を備えるデジタルアンプ１００を小型化するのが困難であった。
【００２０】
上述の課題を鑑み、本発明は、電力変換装置を小型化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、上述の課題を解決するために、以下の事項を提案している。
（１）本発明は、容量および容量負荷と、前記容量に蓄えられた電力を前記容量負荷に伝達する電力伝達手段と、前記容量に印加されている電圧と、前記容量負荷に印加されている電圧と、に基づいて、前記容量に印加する電圧を制御する電圧制御手段と、を備え、前記電圧制御手段は、前記容量に印加されている電圧と、前記容量負荷に印加されている電圧と、に基づいて、前記容量に印加する電圧を制御して、前記容量に蓄えられている電力と、前記容量負荷に蓄えられている電力と、の和を所定値に保つことを特徴とする電力変換装置を提案している。
【００２２】
この発明によれば、容量および容量負荷と、容量に蓄えられた電力を容量負荷に伝達する電力伝達手段と、容量に印加されている電圧と容量負荷に印加されている電圧とに基づいて容量に印加する電圧を制御する電圧制御手段と、を設けた。そして、電圧制御手段により、容量に印加されている電圧と、容量負荷に印加されている電圧と、に基づいて、容量に印加する電圧を制御して、容量に蓄えられている電力と、容量負荷に蓄えられている電力と、の和を所定値に保つこととした。
【００２３】
このため、所定値を、容量負荷を充電する際の急激な負荷変動を考慮して設定することで、容量負荷に蓄えられている電力が「０」の場合であっても、容量を大きくすることなく、容量に蓄えられている電力で、容量負荷を充電する際の急激な負荷変動に対応できる。したがって、電力変換装置を小型化できる。
【００２４】
（２）本発明は、（１）の電力変換装置について、前記容量は、容量負荷で構成されることを特徴とする電力変換装置を提案している。
【００２５】
この発明によれば、容量を容量負荷で構成することとした。これによれば、上述した効果と同様の効果を奏することができる。
【００２６】
（３）本発明は、（１）または（２）の電力変換装置について、前記容量負荷に印加される電圧の最大値を最大電圧とするとともに、前記最大電圧を印加した場合に前記容量に蓄えられる電力と、前記最大電圧を印加した場合に前記容量負荷に蓄えられる電力と、の和を最大総電力とすると、前記所定値は、前記最大総電力に等しいことを特徴とする電力変換装置を提案している。
【００２７】
この発明によれば、容量に蓄えられている電力と、容量負荷に蓄えられている電力と、の和を最大総電力に等しい値に保つこととした。ここで、最大総電力とは、最大電圧を印加した場合に容量に蓄えられる電力と、最大電圧を印加した場合に容量負荷に蓄えられる電力と、の和のことであり、最大電圧とは、容量負荷に印加される電圧の最大値のことである。
【００２８】
このため、容量負荷に蓄えられている電力が「０」の場合であっても、容量に蓄えられている電力により、容量負荷を充電して、容量負荷を最大電圧が印加された状態にすることができる。したがって、容量を大きくすることなく、容量に蓄えられている電力で、容量負荷に電力を蓄える際の急激な負荷変動に対応できる。よって、上述した効果と同様の効果を奏することができる。
【００２９】
（４）本発明は、（１）〜（３）のいずれかの電力変換装置について、前記容量負荷に蓄えられた電力を前記容量に伝達する電力回生手段を備えることを特徴とする電力変換装置を提案している。
【００３０】
この発明によれば、容量負荷に蓄えられた電力を容量に伝達する電力回生手段を設けた。このため、容量負荷に蓄えられている電力を放電する場合には、この電力を電力回生手段により容量に伝達させて、容量を充電できる。したがって、容量を充電するために、電力変換装置に新たに電力を供給する必要がないので、省電力化を実現できる。
【００３１】
（５）本発明は、（１）〜（４）のいずれかの電力変換装置について、前記容量負荷は、ピエゾ素子であることを特徴とする電力変換装置を提案している。
【００３２】
この発明によれば、容量負荷をピエゾ素子とした。これによれば、上述した効果と同様の効果を奏することができる。
【００３３】
（６）本発明は、（５）の電力変換装置について、前記容量は、ピエゾ素子であることを特徴とする電力変換装置を提案している。
【００３４】
この発明によれば、容量をピエゾ素子とした。これによれば、上述した効果と同様の効果を奏することができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、電力変換装置を小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１実施形態に係るデジタルアンプの概略を示す回路図である。
【図２】前記デジタルアンプの動作を説明するための図である。
【図３】前記デジタルアンプの動作を説明するための図である。
【図４】前記デジタルアンプの動作を説明するための図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係るデジタルアンプの回路図である。
【図６】前記デジタルアンプにおける電流回生を説明するための図である。
【図７】前記デジタルアンプにおける電流回生を説明するための図である。
【図８】前記デジタルアンプにおける電流回生を説明するための図である。
【図９】前記デジタルアンプのタイミングチャートである。
【図１０】本発明の第３実施形態に係るデジタルアンプの回路図である。
【図１１】前記デジタルアンプの動作を説明するための図である。
【図１２】前記デジタルアンプの動作を説明するための図である。
【図１３】前記デジタルアンプの動作を説明するための図である。
【図１４】従来例に係るデジタルアンプの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素などとの置き換えが可能であり、また、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、以下の実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。
【００３８】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係るデジタルアンプ１の概略を示す回路図である。デジタルアンプ１は、エネルギー変換装置５０と、キャパシタＣ１、Ｃ２と、を備える。エネルギー変換装置５０は、第１のエネルギー変換部５１および第２のエネルギー変換部５２を備える。
【００３９】
第１のエネルギー変換部５１には、端子Ａと、キャパシタＣ１の一方の電極と、が接続され、第２のエネルギー変換部５２には、キャパシタＣ１の一方の電極と、キャパシタＣ２の一方の電極と、が接続される。キャパシタＣ１の他方の電極と、キャパシタＣ２の他方の電極とは、接地される。なお、以降では、第１のエネルギー変換部５１と、第２のエネルギー変換部５２と、キャパシタＣ１の一方の電極と、の接点を、接点Ｊ１とする。また、第２のエネルギー変換部５２と、キャパシタＣ２の一方の電極と、の接点を、接点Ｊ２とする。
【００４０】
まず、以上の構成を備えるデジタルアンプ１において、キャパシタＣ１にチャージされている電力でキャパシタＣ２をチャージする場合について、図２、３を用いて以下に説明する。
【００４１】
まず、図２に示すように、第１のエネルギー変換部５１を駆動して、端子Ａから入力される入力信号ＩＮを、キャパシタＣ１の一方の電極に供給する。これによれば、キャパシタＣ１は、端子Ａから入力される入力信号ＩＮでチャージされる。
【００４２】
次に、図３に示すように、第２のエネルギー変換部５２を駆動して、既にチャージされているキャパシタＣ１の一方の電極から、キャパシタＣ２の一方の電極に、電流を流す。これによれば、キャパシタＣ２は、キャパシタＣ１にチャージされている電力でチャージされる。
【００４３】
ここで、キャパシタＣ１の容量をＣ１、キャパシタＣ２の容量をＣ２、接点Ｊ１の電圧をＶ１、接点Ｊ２の電圧をＶ２、接点Ｊ２の電圧Ｖ２の設定電圧最大値をＶｍａｘとする。設定電圧最大値とは、接点Ｊ２の電圧Ｖ２が取り得る最大値のこととする。また、キャパシタＣ１の容量Ｃ１と、キャパシタＣ２の容量Ｃ２と、設定電圧最大値Ｖｍａｘとは、既知の固定値とし、接点Ｊ２の電圧Ｖ２は、図示しない電圧測定部により測定された既知の値とする。すると、以下の式（１）が成り立つように接点Ｊ１の電圧Ｖ１を制御すれば、電圧Ｖ２が印加されているキャパシタＣ２をチャージする際の急激な負荷変動に、キャパシタＣ１にチャージされている電力で対応できる。
【００４４】
【数１】
2010283910.tif 000003
【００４５】
すなわち、エネルギー変換装置５０を制御して、式（１）が成り立つように接点Ｊ１の電圧Ｖ１を制御すれば、式（１）が成り立つのに不足している電力を入力信号ＩＮでキャパシタＣ１にチャージでき、接点Ｊ２の電圧Ｖ２が設定電圧最大値Ｖｍａｘになるまで、キャパシタＣ１にチャージされている電力でキャパシタＣ２をチャージできる。これによれば、電圧Ｖ２が印加されているキャパシタＣ２をチャージする際の急激な負荷変動に、キャパシタＣ１にチャージされている電力で対応できる。
【００４６】
なお、式（１）の右辺は、設定電圧最大値Ｖｍａｘを印加した場合にキャパシタＣ２にチャージされる電力に等しく、上述のように設定電圧最大値Ｖｍａｘが既知の固定値であるため、予め定められた所定値となる。このため、式（１）が成り立つように接点Ｊ１の電圧Ｖ１を制御することで、キャパシタＣ１にチャージされている電力と、キャパシタＣ２にチャージされている電力と、の和は、所定値に保たれることとなる。
【００４７】
次に、以上の構成を備えるデジタルアンプ１において、キャパシタＣ１とキャパシタＣ２との間で電流回生を行う場合、すなわちキャパシタＣ２にチャージされている電力でキャパシタＣ１をチャージする場合について、図４を用いて以下に説明する。
【００４８】
図４に示すように、第２のエネルギー変換部５２を駆動して、既にチャージされているキャパシタＣ２の一方の電極から、キャパシタＣ１の一方の電極に、回生電流を流す。これによれば、キャパシタＣ１は、キャパシタＣ２にチャージされている電力でチャージされる。
【００４９】
以上のデジタルアンプ１によれば、以下の効果を奏することができる。
【００５０】
エネルギー変換装置５０を制御して、式（１）が成り立つように接点Ｊ１の電圧Ｖ１を制御することで、キャパシタＣ１にチャージされている電力と、キャパシタＣ２にチャージされている電力と、の和を、設定電圧最大値Ｖｍａｘを印加した場合にキャパシタＣ２にチャージされる電力に保つことができる。このため、キャパシタＣ２に印加される電圧Ｖ２が設定電圧最大値Ｖｍａｘになるまで、キャパシタＣ１にチャージされている電力でキャパシタＣ２をチャージできる。これによれば、キャパシタＣ１の容量を大きくすることなく、キャパシタＣ２をチャージする際の急激な負荷変動に、キャパシタＣ１にチャージされている電力で対応できるので、デジタルアンプ１を小型化できる。
【００５１】
また、エネルギー変換装置５０を制御して、キャパシタＣ２の一方の電極からキャパシタＣ１の一方の電極に、回生電流を流すことができる。このため、キャパシタＣ２を放電する場合には、このキャパシタＣ２から放電させた電力によりキャパシタＣ１をチャージできる。したがって、キャパシタＣ１をチャージするために、デジタルアンプ１に新たに電力を供給する必要がないので、省電力化を実現できる。
【００５２】
＜第２実施形態＞
図５は、本発明の第２実施形態に係るデジタルアンプ１Ａの回路図である。デジタルアンプ１Ａは、図１４に示した従来例に係るデジタルアンプ１００とは、特定制御部１０を備える点が異なる。なお、デジタルアンプ１Ａにおいて、デジタルアンプ１００と同一構成要件については、同一符号を付し、その説明を省略する。
【００５３】
特定制御部１０は、上述の第１制御部１１１に加えて、変換部１１を備える。変換部１１は、接点Ｊ２および第１制御部１１１に接続され、接点Ｊ２と同電圧であるフィードバック信号ＦＢ２の電圧を変換し、リファレンス信号Ｒｅｆ２として第１制御部１１１に供給する。
【００５４】
以下に、まず、特定制御部１０の基本概念について説明する。
【００５５】
ここで、容量としてのキャパシタＣ１の容量をＣ１、容量負荷としてのキャパシタＣ２の容量をＣ２、接点Ｊ１の電圧をＶ１、接点Ｊ２の電圧をＶ２、接点Ｊ２の電圧Ｖ２の設定電圧最大値をＶｍａｘとする。設定電圧最大値とは、接点Ｊ２の電圧Ｖ２が取り得る最大値のことであり、デジタルアンプ１Ａが端子Ｂから出力する出力信号ＯＵＴの電圧の最大値に等しいものとする。また、設定電圧最大値Ｖｍａｘを印加した場合にキャパシタＣ１にチャージされる電力と、設定電圧最大値Ｖｍａｘを印加した場合にキャパシタＣ２にチャージされる電力と、の和である必要総電力をＰｍａｘとする。すると、必要総電力Ｐｍａｘは、以下の式（２）のように表すことができる。
【００５６】
【数２】
2010283910.tif 000004
【００５７】
なお、キャパシタＣ１の容量Ｃ１と、キャパシタＣ２の容量Ｃ２と、設定電圧最大値Ｖｍａｘとは、既知の固定値とする。これによれば、式（２）において、必要総電力Ｐｍａｘは、一定となる。
【００５８】
また、電圧Ｖ１が印加されている場合にキャパシタＣ１にチャージされている電力をＰ１とし、電圧Ｖ２が印加されている場合にキャパシタＣ２にチャージされている電力をＰ２とすると、電力Ｐ１は、以下の式（３）のように表すことができ、電力Ｐ２は、以下の式（４）のように表すことができる。
【００５９】
【数３】
2010283910.tif 000005
【００６０】
【数４】
2010283910.tif 000006
【００６１】
電圧Ｖ１が印加されている場合にキャパシタＣ１にチャージされている電力Ｐ１と、電圧Ｖ２が印加されている場合にキャパシタＣ２にチャージされている電力Ｐ２と、の和が、必要総電力Ｐｍａｘ以上であれば、すなわち以下の式（５）を満たせば、電力Ｐ２が既にチャージされているキャパシタＣ２をチャージする際の急激な負荷変動に、キャパシタＣ１にチャージされている電力Ｐ１で対応できることとなる。
【００６２】
【数５】
2010283910.tif 000007
【００６３】
そこで、式（５）に式（２）〜（４）を代入すると、以下の式（６）のようになる。
【００６４】
【数６】
2010283910.tif 000008
【００６５】
以上によれば、式（６）を満たす場合に、電力Ｐ２が既にチャージされているキャパシタＣ２において、このキャパシタＣ２をチャージする際の急激な負荷変動に、キャパシタＣ１にチャージされている電力Ｐ１で対応できる。
【００６６】
例えば、キャパシタＣ１の容量Ｃ１が１０μＦ、キャパシタＣ２の容量Ｃ２が１０μＦ、接点Ｊ２の電圧Ｖ２の設定電圧最大値Ｖｍａｘが１００Ｖである場合において、接点Ｊ２の電圧Ｖ２が０Ｖであるものとする。この場合、これらの値を式（６）に代入すると、以下の式（７）のようになる。
【００６７】
【数７】
2010283910.tif 000009
【００６８】
このため、接点Ｊ１の電圧Ｖ１を１４１．４２Ｖ以上にすることで、接点Ｊ２の電圧Ｖ２が０ＶであるキャパシタＣ２をチャージする際の急激な負荷変動に、キャパシタＣ１にチャージされている電力Ｐ１で対応できる。
【００６９】
次に、特定制御部１０の動作について説明する。
【００７０】
変換部１１は、入力されたフィードバック信号ＦＢ２の電圧、すなわち接点Ｊ２の電圧Ｖ２を以下の式（８）に代入する。そして、代入した結果得られた電圧Ｖ１１と同電圧の信号をリファレンス信号Ｒｅｆ２として、第１制御部１１１に供給する。なお、式（８）におけるＶ１１は、式（６）を満たすＶ１の最小値であり、キャパシタＣ２をチャージする際の急激な負荷変動にキャパシタＣ１にチャージされている電力で対応するために接点Ｊ１で必要な電圧の最小値である。
【００７１】
【数８】
2010283910.tif 000010
【００７２】
第１制御部１１１は、接点Ｊ１の電圧Ｖ１と同電圧であるフィードバック信号ＦＢ１と、上述の接点Ｊ１で必要な電圧の最小値Ｖ１１と同電圧であるリファレンス信号Ｒｅｆ２と、を比較する。そして、Ｖ１≧Ｖ１１を満たす場合には、スイッチ素子Ｑ１をオン状態にする制御信号をスイッチ素子Ｑ１のゲートに供給し、Ｖ１＜Ｖ１１を満たす場合には、スイッチ素子Ｑ１をオフ状態にする制御信号をスイッチ素子Ｑ１のゲートに供給する。
【００７３】
以上のデジタルアンプ１は、キャパシタＣ１とキャパシタＣ２との間で電流回生を行う。この電流回生について、図６〜９を用いて以下に説明する。
【００７４】
図５では図示を省略したが、スイッチ素子Ｑ２、Ｑ３のそれぞれは、図６〜８に示すように、ボディーダイオードＤ２、Ｄ３をそれぞれ備える。
【００７５】
キャパシタＣ２にチャージされている電力を放電する場合に、スイッチ素子Ｑ２をオフ状態にするとともにスイッチ素子Ｑ３をオン状態にすると、図７に示すように、キャパシタＣ２の一方の電極から、インダクタＬ２およびオン状態のスイッチ素子Ｑ３を介してグラウンドに、回生電流Ｉ１が流れる。
【００７６】
一方、キャパシタＣ２にチャージされている電力を放電する場合に、スイッチ素子Ｑ２をオフ状態にするとともにスイッチ素子Ｑ３をオフ状態にすると、図８に示すように、キャパシタＣ２の一方の電極から、インダクタＬ２およびボディーダイオードＤ２を介してキャパシタＣ１の一方の電極に、回生電流Ｉ１が流れる。この場合におけるタイミングチャートを図９に示す。
【００７７】
図９において、ＳＴＱ２は、スイッチ素子Ｑ２の状態を示し、ＳＴＱ３は、スイッチ素子Ｑ３の状態を示す。また、Ｖ３は、スイッチ素子Ｑ２のドレインと、スイッチ素子Ｑ３のドレインと、インダクタＬ２の一端と、の接点である接点Ｊ３の電圧を示す。
【００７８】
ここで、時刻ｔ１の直前では、スイッチ素子Ｑ２、Ｑ３はオフ状態であるものとする。また、回生電流Ｉ１は「０」であり、接点Ｊ２の電圧Ｖ２および接点Ｊ３の電圧Ｖ３は、ＶＡであるものとする。
【００７９】
時刻ｔ１において、スイッチ素子Ｑ３をオン状態にする。すると、上述のように、回生電流Ｉ１がインダクタＬ２およびオン状態のスイッチ素子Ｑ３を介してグラウンドに流れる。この回生電流Ｉ１は、時間が経過するに従って増加して、時刻ｔ２ではＩＡとなる。一方、接点Ｊ３の電圧Ｖ３は、グラウンドと同電圧であるＧＮＤとなる。また、接点Ｊ２の電圧Ｖ２は、時間が経過するに従って低下して、時刻ｔ３ではＶＢとなる。
【００８０】
時刻ｔ２において、スイッチ素子Ｑ３をオフ状態にする。すると、上述のように、回生電流Ｉ１がインダクタＬ２およびボディーダイオードＤ２を介してキャパシタＣ１の一方の電極に流れる。この回生電流Ｉ１は、時間が経過するに従って減少して、時刻ｔ３では「０」となる。一方、接点Ｊ１の電圧Ｖ３は、キャパシタＣ１の一方の電極の電圧、すなわち接点Ｊ１の電圧Ｖ１と同電圧となった後、回生電流Ｉ１が「０」となる時刻ｔ３において、接点Ｊ２の電圧Ｖ２と同電圧であるＶＢとなる。
【００８１】
以上によれば、キャパシタＣ２にチャージされている電力の放電が完了すると、接点Ｊ２の電圧Ｖ２、すなわちキャパシタＣ２の一方の電極の電圧は、ＶＢとなる。ここで、このＶＢは、デジタルアンプ１の設計者が設定した値である。
【００８２】
以上のデジタルアンプ１Ａによれば、以下の効果を奏することができる。
【００８３】
特定制御部１０は、変換部１１により、接点Ｊ２の電圧Ｖ２に基づいて、電圧Ｖ２が印加されているキャパシタＣ２をチャージする際の急激な負荷変動に、キャパシタＣ１にチャージされている電力で対応するために接点Ｊ１で必要な電圧の最小値Ｖ１１を算出する。そして、第１制御部１１１により、接点Ｊ１の電圧Ｖ１と、上述の接点Ｊ１で必要な電圧の最小値Ｖ１１と、を比較して、Ｖ１≧Ｖ１１を満たす場合には、スイッチ素子Ｑ１をオン状態にする制御信号をスイッチ素子Ｑ１のゲートに供給し、Ｖ１＜Ｖ１１を満たす場合には、スイッチ素子Ｑ１をオフ状態にする制御信号をスイッチ素子Ｑ１のゲートに供給する。
【００８４】
これによれば、接点Ｊ１の電圧Ｖ１は、上述の接点Ｊ１で必要な電圧の最小値Ｖ１１と同電圧に保たれることとなる。また、上述の接点Ｊ１で必要な電圧の最小値Ｖ１１は、式（８）に示したように、接点Ｊ２の電圧Ｖ２が大きくなるに従って小さくなるので、接点Ｊ１の電圧Ｖ１も、接点Ｊ２の電圧Ｖ２が大きくなるに従って小さくなる。以上より、キャパシタＣ１にチャージされている電力と、キャパシタＣ２にチャージされている電力と、の和は、予め定められた所定値である必要総電力Ｐｍａｘに保たれることとなる。このため、キャパシタＣ２に印加される電圧Ｖ２が設定電圧最大値Ｖｍａｘになるまで、キャパシタＣ１にチャージされている電力でキャパシタＣ２をチャージできる。これによれば、キャパシタＣ１の容量を大きくすることなく、キャパシタＣ２をチャージする際の急激な負荷変動に、キャパシタＣ１にチャージされている電力で対応できるので、デジタルアンプ１Ａを小型化できる。
【００８５】
また、スイッチ素子Ｑ２、Ｑ３をオフ状態にすることで、インダクタＬ２およびボディーダイオードＤ２を介して、キャパシタＣ２の一方の電極からキャパシタＣ１の一方の電極に、回生電流Ｉ１を流すことができる。このため、キャパシタＣ２を放電する場合には、このキャパシタＣ２から放電させた電力によりキャパシタＣ１をチャージできる。したがって、キャパシタＣ１をチャージするために、デジタルアンプ１に新たに電力を供給する必要がないので、省電力化を実現できる。
【００８６】
＜第３実施形態＞
図１０は、本発明の第３実施形態に係るデジタルアンプ１Ｂの回路図である。デジタルアンプ１Ｂは、図５に示した本発明の第２実施形態に係るデジタルアンプ１Ａとは、電力変換部１２０の代わりに電力変換部１２０Ａを備える点と、キャパシタＣ１、Ｃ２がピエゾ素子あることと、が異なる。なお、デジタルアンプ１Ｂにおいて、デジタルアンプ１Ａと同一構成要件については、同一符号を付し、その説明を省略する。
【００８７】
電力変換部１２０Ａは、キャパシタＣ２と、駆動アンプ２１と、を備える。駆動アンプ２１は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴで構成されるスイッチ素子Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６、Ｑ７と、インダクタＬ２、Ｌ３と、インバータＩＮＶと、第２制御部１２１と、を備える。
【００８８】
スイッチ素子Ｑ４のドレインと、スイッチ素子Ｑ６のドレインとには、インダクタＬ３を介して接点Ｊ１が接続される。スイッチ素子Ｑ４のソースには、スイッチ素子Ｑ５のソースが接続される。スイッチ素子Ｑ６のソースは、接地される。
【００８９】
スイッチ素子Ｑ５のドレインと、スイッチ素子Ｑ７のドレインとには、インダクタＬ２を介して接点Ｊ２が接続される。スイッチ素子Ｑ５のソースには、上述のように、スイッチ素子Ｑ４のソースが接続される。スイッチ素子Ｑ７のソースは、接地される。
【００９０】
スイッチ素子Ｑ４〜Ｑ７のゲートには、第２制御部１２１が接続される。特に、スイッチ素子Ｑ４のゲートには、第２制御部１２１がインバータＩＮＶを介して接続されており、スイッチ素子Ｑ４のゲートに供給される制御信号と、スイッチ素子Ｑ５のゲートに供給される制御信号とは、互いに極性を反転させた信号となる。
【００９１】
ところで、本発明の第２実施形態に係るデジタルアンプ１Ａでは、接点Ｊ２の電圧Ｖ２の設定電圧最大値をＶｍａｘとすると、設定電圧最大値Ｖｍａｘを印加した場合にキャパシタＣ１にチャージされる電力と、設定電圧最大値Ｖｍａｘを印加した場合にキャパシタＣ２にチャージされる電力と、の和である必要総電力Ｐｍａｘは、上述の式（２）のように表すことができた。これに対して、本発明の第３実施形態に係るデジタルアンプ１Ｂでは、必要総電力Ｐｍａｘは、以下の式（９）のように表すことができる。
【００９２】
【数９】
2010283910.tif 000011
【００９３】
そこで、上述の式（５）に、式（３）、（４）、（９）を代入すると、以下の式（１０）のようになる。
【００９４】
【数１０】
2010283910.tif 000012
【００９５】
以上によれば、式（１０）を満たす場合に、電力Ｐ２が既にチャージされているキャパシタＣ２において、このキャパシタＣ２をチャージする際の急激な負荷変動に、キャパシタＣ１にチャージされている電力Ｐ１で対応できる。
【００９６】
以上のデジタルアンプ１Ｂの動作について、図１１〜１３を用いて以下に説明する。なお、図１０では図示を省略したが、スイッチ素子Ｑ４〜Ｑ７のそれぞれは、図１２、１３に示すように、ボディーダイオードＤ４〜Ｄ７をそれぞれ備える。
【００９７】
図１１は、接点Ｊ１の電圧Ｖ１と、接点Ｊ２の電圧Ｖ２と、の関係を示す図である。
【００９８】
時刻ｔ１１〜ｔ１２までの期間と、時刻ｔ１４〜ｔ１５までの期間とでは、デジタルアンプ１Ｂは定常動作を行っており、これら期間では、キャパシタＣ１にチャージされている電力により、キャパシタＣ２をチャージしている。このため、時間が経過するに従って、キャパシタＣ１に印加される電圧Ｖ１は低下し、キャパシタＣ２に印加される電圧Ｖ２は上昇している。
【００９９】
一方、時刻ｔ１２〜ｔ１４までの期間では、デジタルアンプ１Ｂは電流回生動作を行っており、この期間では、キャパシタＣ２にチャージされている電力を放電させ、この放電させた電力によりキャパシタＣ１をチャージしている。このため、時間が経過するに従って、キャパシタＣ１に印加される電圧Ｖ１は上昇し、キャパシタＣ２に印加される電圧Ｖ２は低下している。
【０１００】
図１２は、定常動作時における駆動アンプ２１の動作を示す図である。定常動作時には、スイッチ素子Ｑ４、Ｑ７をオフ状態にし、スイッチ素子Ｑ５をオン状態にするとともに、スイッチ素子Ｑ６をオン状態にしたりオフ状態にしたりする。
【０１０１】
スイッチ素子Ｑ６をオン状態にした場合には、キャパシタＣ１の一方の電極から、インダクタＬ３およびオン状態のスイッチ素子Ｑ６を介してグラウンドに、定常電流Ｉ２が流れる。一方、スイッチ素子Ｑ６をオフ状態にした場合には、キャパシタＣ１の一方の電極から、インダクタＬ３、ボディーダイオードＤ４、オン状態のスイッチ素子Ｑ５、およびインダクタＬ２を介してキャパシタＣ２の一方の電極に、定常電流Ｉ２が流れる。
【０１０２】
図１３は、電流回生動作時における駆動アンプ２１の動作を示す図である。電流回生動作時には、スイッチ素子Ｑ４をオン状態にし、スイッチ素子Ｑ５、Ｑ６をオフ状態にするとともに、スイッチ素子Ｑ７をオン状態にしたりオフ状態にしたりする。
【０１０３】
スイッチ素子Ｑ７をオン状態にした場合には、キャパシタＣ２の一方の電極から、インダクタＬ２およびオン状態のスイッチ素子Ｑ７を介してグラウンドに、回生電流Ｉ１が流れる。一方、スイッチ素子Ｑ７をオフ状態にした場合には、キャパシタＣ２の一方の電極から、インダクタＬ２、ボディーダイオードＤ５、オン状態のスイッチ素子Ｑ４、およびインダクタＬ３を介してキャパシタＣ１の一方の電極に、回生電流Ｉ１が流れる。
【０１０４】
以上のデジタルアンプ１Ｂによれば、小型化および省電力化を実現できるという上述のデジタルアンプ１Ａの効果に加えて、以下の効果を奏することができる。
【０１０５】
キャパシタＣ１、Ｃ２をピエゾ素子としたので、デジタルアンプ１Ｂをさらに小型化できる。
【０１０６】
また、従来のデジタルアンプでは、上述のキャパシタＣ１、Ｃ２に対応する２つのキャパシタがピエゾ素子である場合、キャパシタＣ２に対応するものからキャパシタＣ１に対応するものに、定常動作時であるにもかかわらず電流が流れるおそれがあった。このため、上述端子Ａに対応するものに入力信号ＩＮを入力する手段と、上述の駆動アンプ２１に対応するものと、をそれぞれ２つずつ設ける必要があった。
【０１０７】
これに対して、デジタルアンプ１Ｂでは、定常動作時においては、電圧Ｖ１の最小値が電圧Ｖ２の最大値に等しくなるため、キャパシタＣ２からキャパシタＣ１に電流が流れることはない。このため、端子Ａに入力信号ＩＮを入力する手段と、駆動アンプ２１と、をそれぞれ１つ設ければよい。したがって、デジタルアンプ１Ｂや、このデジタルアンプ１Ｂの周辺回路を小型化できる。
【０１０８】
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。
【０１０９】
例えば、上述の第１実施形態や第２実施形態において、キャパシタＣ２をピエゾ素子で構成してもよい。
【０１１０】
また、上述の第２実施形態や第３実施形態では、電圧印加部１１０および電力変換部１２０を用いることで、デジタルアンプを構成したが、これに限らず、例えば充電器や放電器を構成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
本発明は、アンプ、充電器、放電器等の電力変換装置に適用できる。
【符号の説明】
【０１１２】
１、１Ａ、１Ｂ、１００；デジタルアンプ
１０；特定制御部
１１；変換部
２１；駆動アンプ
５０；エネルギー変換装置
５１；第１のエネルギー変換部
５２；第２のエネルギー変換部
１１０；電圧印加部
１１１；第１制御部
１２０、１２０Ａ；電力変換部
１２１；第２制御部
Ｃ１、Ｃ２；キャパシタ
Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６、Ｄ７；ボディーダイオード
Ｌ１、Ｌ２；インダクタ
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６、Ｑ７；スイッチ素子
【図１】
2010283910.tif 000013
【図２】
2010283910.tif 000014
【図３】
2010283910.tif 000015
【図４】
2010283910.tif 000016
【図５】
2010283910.tif 000017
【図６】
2010283910.tif 000018
【図７】
2010283910.tif 000019
【図８】
2010283910.tif 000020
【図９】
2010283910.tif 000021
【図１０】
2010283910.tif 000022
【図１１】
2010283910.tif 000023
【図１２】
2010283910.tif 000024
【図１３】
2010283910.tif 000025
【図１４】
2010283910.tif 000026