(57)【要約】【課題】装置の大型化を招くことなく、リップルノイズの影響を低減する。【解決手段】ＰＷＭ信号をインバータ回路に供給される直流電力によって電力増幅して出力電流を生成する電力増幅装置において、出力電流と所定の電流閾値とを比較する比較器３８と、比較器３８の比較により出力電流が電流閾値より小さいと判断された時、出力電流の電流出力ラインにコイル４７もしくは抵抗体を直列接続する接続回路（切替器３３、ゲートドライバ３５、追加アーム４５）とを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＷＭ信号をインバータ回路に供給される直流電力によって電力増幅して出力電流を生成する電力増幅装置であって、
前記出力電流と所定の電流閾値とを比較する比較器と、
前記比較器の比較により前記出力電流が前記電流閾値より小さいと判断された時、前記出力電流の電流出力ラインにコイルもしくは抵抗体を直列接続する接続回路とを具備することを特徴とする電力増幅装置。
【請求項２】
請求項１記載の電力増幅装置において、
前記接続回路は、
一対のスイッチング素子によって構成されるアームを複数有する前記インバータ回路に、前記一対のスイッチング素子によって構成されて追加され、電流出力ラインに前記コイルもしくは抵抗体が直列接続された追加アームと、
前記出力電流が前記電流閾値より小さいと判断された時、ＰＷＭ信号の入力を前記追加アームに切り替える切替器とよりなることを特徴とする電力増幅装置。
【請求項３】
請求項１記載の電力増幅装置において、
前記接続回路は、
前記電流出力ラインに直列接続された前記コイルもしくは抵抗体と、
前記コイルもしくは抵抗体と並列に前記電流出力ラインに接続された切替器とよりなり、
前記出力電流が前記電流閾値以上と判断された時、前記切替器によって前記コイルもしくは抵抗体の入出力端が短絡されることを特徴とする電力増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はＰＷＭ（パルス幅変調）信号をインバータ回路に供給される直流電力によって電力増幅して出力電流を生成する電力増幅装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の電力増幅装置は例えばモータを駆動するために用いられる。図９は電力増幅装置においてＰＷＭ信号を電力増幅するインバータ回路の構成の一例を示したものであり、この例ではインバータ回路１０は直流電圧＋Ｖが印加される正極側の端子と、直流電圧−Ｖが印加される負極側の端子との間に挿入された二対のスイッチング素子１１ａ，１１ｂによって構成されている。
【０００３】
スイッチング素子１１ａ，１１ｂのゲートにはＰＷＭ信号が入力され、ＰＷＭ信号に応じてスイッチング素子１１ａ，１１ｂが交互に導通制御されると、ＰＷＭ信号が電力増幅されて、負荷２０に対する出力電流が生成されるものとなっている。スイッチング素子１１ａ，１１ｂにはＦＥＴ（電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等が用いられる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１６４１８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、このようなＰＷＭ駆動タイプの電力増幅装置の場合、出力電流には原理的にＰＷＭスイッチング周波数のリップルノイズが重畳する。図１０はこの様子を示したものである。
【０００６】
このようなリップルノイズを低減させるためには、例えば、
・スイッチング周波数を高くする（出力電流の大きさによりスイッチング周波数を変化
させる可変型を含む）
・駆動電圧を低くして負荷の両端に印加される電圧を小さくする
・電流出力ラインにコイル（チョークコイル）を挿入する
といったような方法が考えられる。
【０００７】
しかしながら、スイッチング周波数を高くする方法はスイッチングロスを増大させ、駆動電圧を低くする方法は出力電流の最大値を小さくし、もしくは応答周波数を低くし、よってこれらの方法では性能が低下するといった問題がある。
【０００８】
一方、電流出力ラインにチョークコイルを挿入する方法は性能に対する影響は少ないものの、出力電流の最大値が大きくなるに従い、つまり定格電流の大きな電力増幅装置になるほど大型のチョークコイルが必要となり、この点で電力増幅装置が大型化するといった問題がある。
【０００９】
この発明の目的はこのような状況に鑑み、装置の大型化を招くことなく、リップルノイズの影響を低減することができるようにした電力増幅装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明によれば、ＰＷＭ信号をインバータ回路に供給される直流電力によって電力増幅して出力電流を生成する電力増幅装置は、出力電流と所定の電流閾値とを比較する比較器と、比較器の比較により出力電流が電流閾値より小さいと判断された時、出力電流の電流出力ラインにコイルもしくは抵抗体を直列接続する接続回路とを具備する。
【００１１】
請求項２の発明では請求項１の発明において、接続回路は一対のスイッチング素子によって構成されるアームを複数有するインバータ回路に、一対のスイッチング素子によって構成されて追加され、電流出力ラインにコイルもしくは抵抗体が直列接続された追加アームと、出力電流が電流閾値より小さいと判断された時、ＰＷＭ信号の入力を追加アームに切り替える切替器とよりなる。
【００１２】
請求項３の発明では請求項１の発明において、接続回路は電流出力ラインに直列接続されたコイルもしくは抵抗体と、コイルもしくは抵抗体と並列に電流出力ラインに接続された切替器とよりなり、出力電流が電流閾値以上と判断された時、切替器によってコイルもしくは抵抗体の入出力端が短絡される。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、リップルノイズが特に問題となる小電流出力時においてリップルノイズを効果的に低減することができ、さらにこのように小電流出力時にのみリップルノイズを低減する構成としたことにより、その際に電流出力ラインに直列接続するコイルや抵抗体は小型のものでよく、よって電力増幅装置の大型化を招くことなく、リップルノイズを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明による電力増幅装置の一実施例の構成を示す図。
【図２】小電流出力時の図１におけるインバータ回路の等価回路図。
【図３】リップルノイズの低減効果を説明するための図。
【図４】３相モータを駆動する場合のインバータ回路の構成を示す図、Ａは従来例を示し、Ｂはこの発明による実施例を示す。
【図５】この発明による電力増幅装置の他の実施例の構成を示す図。
【図６】小電流出力時の図５におけるインバータ回路の等価回路図。
【図７】リップルノイズの低減効果を説明するための図。
【図８】この発明による電力増幅装置の他の実施例の構成を示す図。
【図９】従来の電力増幅装置におけるインバータ回路の構成を示す図。
【図１０】リップルノイズを説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
【００１６】
図１はこの発明による電力増幅装置の一実施例の構成を示したものである。この例では電力増幅装置は減算器３１とＰＷＭ信号生成回路３２と切替器３３とゲートドライバ３４〜３６とインバータ回路４０と電流検出器３７と比較器３８とによって構成されている。
【００１７】
インバータ回路４０は図９に示したインバータ回路１０に対し、一対のスイッチング素子１１ａ，１１ｂによって構成されるアームが一つ追加された構成とされ、この例ではアーム４１，４２と追加アーム４５の３つのアームを有するものとされる。スイッチング素子１１ａ，１１ｂにはＦＥＴやＩＧＢＴ等が用いられる。追加アーム４５の電流出力ラインにはコイル４７が図１に示したように直列接続されている。
【００１８】
インバータ回路４０から負荷２０に出力される出力電流は電流検出器３７によって検出され、検出電流値は減算器３１及び比較器３８に入力される。
【００１９】
減算器３１には上位装置から電流指令値が入力され、減算器３１は電流指令値から検出電流値を減算した値をＰＷＭ信号生成回路３２に出力する。ＰＷＭ信号生成回路３２は減算器３１の出力に基づき、ＰＷＭ信号を生成する。
【００２０】
ＰＷＭ信号はゲートドライバ３４〜３６を介してインバータ回路４０の各アームのスイッチング素子１１ａ，１１ｂのゲートに入力される。この際、ゲートドライバ３４にはＰＷＭ信号が常時、入力され、対応するアーム４２が駆動制御されるものの、ゲートドライバ３５と３６に対するＰＷＭ信号の入力はこの例では切替器３３によって切り替えられ、これによりアーム４１と追加アーム４５のいずれかが駆動制御されるものとなっている。
【００２１】
切替器３３における切り替えは、電流検出器３７から入力される検出電流値と予め設定された所定の電流閾値とを比較する比較器３８の出力信号に基づいて行われる。比較器３８は検出電流値が電流閾値より小さいか否かを比較判断し、その判断結果を切替器３３に出力する。
【００２２】
切替器３３は比較器３８において検出電流値が電流閾値より小さいと判断され、その判断結果を示す出力信号が入力された時、ＰＷＭ信号がゲートドライバ３５に入力されるように接続を切り替える。一方、比較器３８において検出電流値が電流閾値以上と判断され、その判断結果を示す出力信号が入力された時、切替器３３はＰＷＭ信号がゲートドライバ３６に入力されるように接続を切り替える。
【００２３】
つまり、この例ではインバータ回路４０の出力電流の大きさによって駆動制御するアームを切り替えるものとなっており、出力電流が電流閾値より小さい場合には電流出力ラインにコイル４７が直列接続されている追加アーム４５とアーム４２が駆動制御されるものとなっている。この場合、アーム４１を駆動制御するゲートドライバ３６の出力はローとされ、アーム４１のスイッチング素子１１ａ，１１ｂはＯＦＦ状態とされる。図２はこの時のインバータ回路４０の等価回路を示したものであり、負荷２０に直列にコイル４７が接続された状態となる。
【００２４】
コイル４７には例えば磁性材料のコアを有するインダクタンス値の大きいチョークコイル等を用いる。これにより、負荷２０の見かけ上の時定数が大きくなるので、出力電流のリップルノイズを低減することができる。図３はこの様子を示したものであり、出力電流において実線は従来の出力電流を示し、破線は負荷２０に直列にコイル４７が接続されたこの実施例による出力電流を示す。リップルノイズはＩ１からＩ２に低減している。
【００２５】
一方、出力電流が電流閾値以上の場合にはアーム４１とアーム４２が駆動制御される。この場合、アーム４５を駆動制御するゲートドライバ３５の出力はローとされ、アーム４５のスイッチング素子１１ａ，１１ｂはＯＦＦ状態とされる。これにより、コイル４７は負荷２０に直列接続されなくなり、この時のインバータ回路４０の等価回路は図９に示した従来のインバータ回路１０と同じになる。
【００２６】
つまり、この例では出力電流が電流閾値以上の場合には出力電流のリップルノイズの低減効果はなくなるものの、原理的にリップルノイズは出力電流の大きさによって大きく変わらず、出力電流が大きければ相対的にリップルノイズの大きさはほとんど無視することができるようになるため、リップルノイズの低減効果がなくなる影響は小さい。
【００２７】
これに対し、リップルノイズが問題となる小電流出力時には負荷２０に直列接続されるコイル４７によってリップルノイズを低減することができ、かつこのコイル４７に求められる定格電流は電力増幅装置の定格電流を満足する必要はなく、切替器３３を切り替える電流閾値以下の電流を満足すればよく、よってこの例によれば、リップルノイズを低減するためのコイル４７を小型化することができ、その分、従来に比し、電力増幅装置の小型化を図ることが可能となる。
【００２８】
上述した例においては電力増幅装置のインバータ回路４０は２つの電流出力ラインを有する２相タイプとしているが、３相タイプにおいても同様に構成することができる。
【００２９】
図４Ａは３相モータ２０’を駆動するインバータ回路の従来構成例を示したものであり、図４Ｂはこの発明の実施例の構成を示したものである。
【００３０】
図４Ｂでは３つのアーム４１〜４３を有する図４Ａの構成に対し、アームが２つ追加され、それら追加された追加アーム４５，４６の電流出力ラインにそれぞれコイル４７，４８が直列接続されている。出力電流が所定の電流閾値より小さい場合には追加アーム４５，４６及びアーム４３が駆動制御され、出力電流が電流閾値以上の場合にはアーム４１〜４３が駆動制御され、これにより前述した図１の構成と同様の効果が得られるものとなっている。
【００３１】
次に、図５に示したこの発明の実施例について説明する。
【００３２】
この例ではリップルノイズを低減するためにコイルではなく、抵抗体を用いるものとなっており、図１に示した構成に対し、コイル４７に替えて抵抗体４９を追加アーム４５の電流出力ラインに直列接続した構成となっている。
【００３３】
出力電流が所定の電流閾値より小さい場合には図１と同様、追加アーム４５が駆動制御される。図６はこの時のインバータ回路４０’の等価回路を示したものであり、負荷２０に直列に抵抗体４９が接続された状態となる。これにより、コイル４７の場合と同様、負荷２０の見かけ上の時定数が大きくなるので、出力電流のリップルノイズを低減することができる。図７はこの様子を示したものであり、出力電流において実線は従来の出力電流を示し、破線は負荷２０に直列に抵抗体４９が接続されたこの実施例による出力電流を示す。リップルノイズはＩ１からＩ３に低減している。
【００３４】
この例では図１と同様、切替器３３により小電流出力時のみ抵抗体４９が電流出力ラインに直列接続されるものとなっているため、抵抗体４９における消費電力の発生は小電流出力時のみであり、よって電力損失を抑制しつつ、リップルノイズを効果的に低減することができる。加えて、コイル４７の場合と同様、抵抗体４９は電力増幅装置の定格電流を満足する必要はないため、小型化が可能となる。
【００３５】
以上、電流出力ラインにコイルもしくは抵抗体が直列接続されたアームをインバータ回路に追加し、小電流出力時にはＰＷＭ信号の入力をその追加アームに切り替える構成について説明したが、これに替え、例えば図８に示したような構成を採用することもできる。
【００３６】
図８ではインバータ回路１０は図９に示した従来のインバータ回路１０と同じとされ、その電流出力ラインに抵抗体４９が直列接続され、さらに抵抗体４９と並列に切替器５１が電流出力ラインに接続された構成となっている。
【００３７】
比較器３８において電流検出器３７が検出した出力電流の検出電流値が所定の電流閾値以上と判断され、その判断結果を示す出力信号が切替器５１に入力された時、切替器５１は閉成し、抵抗体４９の入出力端が短絡される。これにより、この例においても小電流出力時のみ抵抗体４９が電流出力ラインに直列接続されるものとなる。なお、抵抗体４９に替え、コイルを電流出力ラインに直列接続するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１０  インバータ回路                  １１ａ，１１ｂ  スイッチング素子
２０  負荷                            ２０’  ３相モータ
３１  減算器                          ３２  ＰＷＭ信号生成回路
３３  切替器                          ３４，３５，３６  ゲートドライバ
３７  電流検出器                      ３８  比較器
４０，４０’  インバータ回路          ４１，４２，４３  アーム
４５，４６  追加アーム                ４７，４８  コイル
４９  抵抗体                          ５１  切替器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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