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平成 15 年電気学会産業応用部門大会

スイッチング形電力フィルタとリニア増幅器を併用したハイブリッド電力増幅器
学生員

岩谷 一生*,

正員

野口 季彦（長岡技術科学大学）

Hybrid Power Amplifier Using Switched Power Filter and Linear Amplifier
Kazuki Iwaya, Student Member, and Toshihiko Noguchi, Member(Nagaoka University of Technology)

This paper presents a hybrid power amplifier using switched power filters and a linear amplifier. Harmonic distortion of an output
voltage from the linear amplifier is much lower than that of switched power converters but efficiency of the linear amplifier is extremelylow. Therefore, the linear amplifier is not suitable to large capacity systems in spite of its low-distortion output. In the proposed system,
the linear amplifier is connected to a multilevel inverter in series in order to filter the output voltage. Since the linear amplifiercompensate for only the harmonic components caused by the inverter, capacity of the linear amplifier can greatly be reduced. Therefore,
the proposed system makes it possible to achieve high-efficiency and low-harmonic-distortion without PWM control and LC filters. In
this paper, effectiveness of the proposed technique is verified through several experimental results.
キーワード：スイッチング形電力フィルタ，リニア増幅器，ハイブリッド電力増幅器
Keywords: switched power filter, linear amplifier, hybrid power amplifier.

Main Inverter

1．はじめに

Vc1=1/4Vdc
Vc2=1/8Vdc

著者らはこれまでに，直流電源をもたないインバータを複数台直列接続したスイッチング形電力フィルタを提案し

1/2VdcSwitched
Power Filters

た (1)。これは，主インバータの出力電圧レベルを増加させることによって，PWM 制御することなく波形整形を行う

1/2Vdc+ものである。本論文では，このスイッチング形電力フィル

C1

タとリニア増幅器を併用したハイブリッド電力増幅器(2)をVc1

e1

Inv.1

新たに提案し，良好な実験結果を得たので報告する。

e2

リニア増幅器は出力電圧波形が非常に良好であるが，効+率が極めて低いため，大容量化するとシステムが大型化すC2る。それに対して，インバータは高周波でスイッチングす

Inv.2

るため，出力電圧に高調波成分を多く含み，電磁ノイズもVc2

e3

LinearAmp.

大きい反面，効率が良いのでシステムを小形化できる。

eAmp

提案するシステムは，両者の利点を活かし，5 レベルインバータにスイッチング形電力フィルタとリニア増幅器を図1直列接続して波形整形することで，PWM スイッチングやLC フィルタなしで効率良く良好な電圧波形を出力するこ

Load
eo

提案法のシステム構成

Fig. 1. Configuration of proposed system.とができる。
レベルの波形としている。最終段のリニア増幅器は 17 レベ２．主回路構成

ルの階段波と電圧指令値を差し引いた高調波成分のみを出

図 1 にシステム構成を示す。主インバータは NPC インバ力する。したがって，出力電圧に対してリニア増幅器が出ータをブリッジ化した 5 レベルインバータである。これに力する電圧は，非常に小さくて良いため効率の低下を抑え直流電源をもたないインバータで構成されるスイッチング

られると同時に，高周波スイッチングも行わないので電磁形電力フィルタを 2 台接続し，フィルタ後の出力電圧を 17ノイズも低減できる。

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平成 15 年電気学会産業応用部門大会

３．動作原理および制御方法

Charging C 1 and C 2

Discharging C 1 and C 2

図 2 にスイッチング形電力フィルタによる波形整形法を示す。前述のとおり，主インバータは 5 レベルの階段波をV dc出力する。スイッチング形電力フィルタは電力の供給を一01/2V dc
Main Inv. Output Voltage

切行わず，出力の電圧レベルを増加させるためだけに動作する。1 台目のスイッチング形電力フィルタでは，±1/4Vdc，00 の電圧を出力し 9 レベルの波形を作る。2 台目のフィルタ
では，±1/8Vdc，0 の電圧を出力し，17 レベルの波形を合1/4V dc-1/4V dc

Inv.1 Output Voltage
1/8V dc

0-1/8V dc

成する。このため，各フィルタの直流リンクコンデンサ電Inv.2 Output Voltage

圧を 1/4Vdc，1/8Vdc 一定に維持しなければならない。そのために，主インバータの出力電圧を意図的に歪ませ，各コV dcンデンサを充放電しながら，最終段の出力電圧を 17 レベル0に整形する。

Output Voltage

図 3 に制御ブロック図を示す。電圧指令値 e*を A/D コン

図2

バータに入力して量子化した信号と，Vc1，Vc2 をヒステリ

スイッチング形電力フィルタの動作波形

Fig. 2. Operating waveforms of switched power filter.

シスコンパレータに入力した信号をスイッチングテーブル
V c1に入力する。スイッチングテーブルは各状態に最も適したスイッチングパターンを主インバータとスイッチング形電Switching
Mode Table

V c2

力フィルタに供給する。また，17 レベル出力電圧 e3 と，電圧指令値 e*の偏差をリニア増幅器の入力とする。したがって，リニア増幅器の出力電圧は，主インバータ直流リンクA/DConv.

e*0

Main Inverter Switching Filter
Gate Signal
Gate Signal

電圧の 1/8 以下で良い。
+４．実験結果-

図 4 に実験結果を示す。主インバータの直流リンク電圧
Vdc を 150 [V]，電圧指令値は 100 [Vrms]，100 [Hz]の正弦波

e3としている。主インバータの出力電圧 e1 が 5 レベル，1 台

017level

目のスイッチング形電力フィルタ後の出力電圧 e2 が 9 レベ
ル，そして，2 台目のフィルタ後の出力電圧 e3 には，17 レベルの階段波が出力されている。ここで，e1，e2 の波形が

図3歪んでいるが，前述のように C1，C2 の充放電をバランス良の 1/8 程度となっている。出力電圧の総合歪み率は 0.76

1階段波の偏差分のみを出力するため，その電圧振幅は Vdce [V][%]となっており，LC フィルタなしでも低歪みの正弦波出2力が得られている。

3

ィルタとリニア増幅器を併用したハイブリッド電力増幅器

e [V]

５．まとめ
本稿では，5 レベルインバータにスイッチング形電力フAmp.

e

調波成分を低減した上で，リニア増幅器によりほぼ完全な[V]を提案し，その有効性を実験的に示した。スイッチング形
電力フィルタで出力電圧を多レベル化して，出力電圧の高高調波歪み補償を行うため，リニア増幅器の容量を効果的
e [V]に低減できる。

o参考文献

Vc1, Vc2: Switched power filter
DC-bus voltages
e*: Voltage referencee 3 : Output voltage afterswitched power filter

制御ブロック図Fig. 3. Block diagram of controller.
e [V]く行うためである。リニア増幅器は電圧指令値と 17 レベル

to Linear Amp.

P(1) 岩谷，高橋：「任意波形合成機能を有する次世代スイッチング形電力フ2001000-100-200200
1000-100-200200
1000-100-200100
500-50-100
200
1000-100-200
02 .5

ィルタの提案」，平成15年電気学会全国大会，4-085，pp128-129

図4(2) G.B.Yundt:“Serise-orParallel-ConnectedCompositeAmplifiers,”IEEETran.Power

5 .0
7 .5
Time [ms]1 0 .01 2 .5動作波形の実験結果

Fig. 4. Experimental result of operating waveforms.

Electronics,vol.PE-1,No.1,pp48-54,1986.

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