White Paper No.1
HUBERT 4 象限バイポーラ電源

はじめに産業計測技術において、LF ハイパフォーマンス・アンプは様々な用途で利用されています。磁界の発生、材料試験、および EMC 試験装置などが一般的な用途です。バイポーラ電源は、さまざまなアプリケーションで要求される周波数や信号波形に適応し、信頼性の高い動作が求められます。誘導性負荷や電気モータなどの無効負荷に起因しバイポーラ電源にエネルギーが帰還するような DUT に適用するために、電流の流出や流入の能力を備えていなければなりません。
これらの要求に応える HUBERT のバイポーラ電源の原理について、以下の章で説明します。

基本
通常、アナログ・パワーアンプでは、プッシュープル動作にバイポーラ・パワー・トランジスタが使用されます。高い出力性能が要求される場合、出力に対して適切な数、並列接続されたエミッター・フォロワーが必要になります。
最大出力電力は、パワートランジスタの性能に依存しますが、無効電力が大きい場合は直ぐに限界に達してしまいます。
この場合、注目すべきパラメータは、トランジスタを流れる最大許容電流 ICE とトランジスタで発生する最大許容電圧降下 VCE です。これら 2 つの変数はトランジスタの消費電力 PV を表します。

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Page1図 1：安全動作領域
図 1 の VCE-ICE グラフは、バイポーラ・パワー・トランジスタのハウジングの温度が 25℃の時の、負荷持続曲線に基づく安全動作領域（SOA）を表します。この領域は以下の 4 つの直線により制限されます。


A：最大コレクタ電流 ICE = 15A @ t=1sec



B：最大消費電力 PV = 200W @ t = 1sec



C：二次最大消費電力（動作電圧が高い部分では最大消費電力が低下する）



D：最大コレクタ-エミッタ電圧 VCE = 260V @ t = 1sec

トランジスタに加えた電圧によって、最大電流を読み取ることができます。電圧の値がより大きくなると、許容電流が著しく減少します。最大電流値 ICE は VCE によって決まります。
例：VCE = 10V の時、ICE = 15A （信号を 1 秒間適用した場合）

VCE = 100V の時、ICE ～1A （信号を 1 秒間適用した場合）

SOA のセクション B の許容電流は、ハウジングの温度が 30℃以上で、10℃上昇する毎におおよそ10％減少することに注意してください。
ただし、アンプの最大出力電流はパワートランジスタを並列に接続することにより増加させることができます。

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4 象限アンプとは？
パワートランジスタの SOA に基づいて、パワーアンプ全体の安全動作領域は、以下の UOUT／IOUT 図によって表すことができます。ここでは UOUT はアンプの出力電圧であり、IOUT は出力電流を示します。
+Iout

第 2 象限電力：シンクUOUT：負IOUT：正第 1 象限電力：ソースUOUT：正IOUT：正-Vout+Vout
第 3 象限電力：ソースUOUT：負IOUT：負第 4 象限電力：シンクUOUT：正IOUT：負-Iout

図 2：4 象限の定義
動作条件の限界は図 2 から読み取ることができます。図 2 は正または負の最大出力電流及び、正または負の最大出力電圧の 4 つの象限に分割されています。
これら 4 つの全ての象限で動作するパワーアンプは、4 象限アンプとして知られています。第 1 象限と第 3 象限においては、接続した負荷に対してエネルギーを流出する（ソース）動作をします。第 2象限と第 4 象限においては、接続した負荷からエネルギーを吸い込む（シンク）動作をします。
この特性は、全てのバイポーラ電源に適用されます。オーディオアンプの場合においては、接続したパッシブスピーカーは無効負荷として機能し、エネルギーはパワーアンプにフィードバックされます。
4 象限アンプの性能と容量について評価する重要な特性は：

電力と増幅率が 4 つの象限において全て同等か？



ソース電力とシンク電力において、どの程度の違いがあるのか？



周波数帯域・最大出力電圧・電流等の性能は？



どれだけの期間、指定された電力を供給可能か？

特に第２象限と第４象限の動作がパワーアンプに対して強く要求されています。出力電圧と出力電流の間で 180°の位相の差があるため、通電トランジスタ VCE の値は非常に高いものになります。
負荷として低抵抗コイルを使用した以下の例で、詳細に説明します。：

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Page3図 3：パワーアンプの出力段
図 3 はパワーアンプの一般的な出力段を簡略化して表しています。
トランジスタ Q1 と Q2 は、並列に接続された全てのパワートランジスタをまとめて表記しています。
（以下の説明では、Re における電圧降下とトランジスタの飽和電圧は無視します。）：
コレクタ電流 ICE の合計に相当する出力電流 IOUT
トランジスタ電圧は：Vce = Ub - Uout
アンプが 3Ω負荷に対して 1000W の出力容量を持っています。また、アンプ動作電圧は Ub=90V とします。本アンプでは、上記の安全動作領域の特性を持つパワートランジスタが使用されています（各極に 8 つ使用）。
上記の説明について、以下の条件を用いて説明します。：
Uout = 50V / 4kHz サイン波, 負荷 Zload = 0.04Ω + 86uH
ここで Zload = Rload + jXload であり、| Z | = 2.16Ω, 位相 = 89°@ 4kHz

図 4：出力電圧 ／ 電流 @ 4kHz

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Page4図 4 において、時間 t1（青線の位置）において出力値は Uout = -40V, Iout = +16A を示しています。
この時点で電流 ICE は正であり、通過トランジスタ Q1 の電圧は VCE = 90V – (-40V) = 130Vp であり、動作電圧よりも高くなっています。前記の SOA 特性の図において、パワートランジスタは C の領域で動作していることが分かります。
特性 10ms → 最大 2A * 8 トランジスタ → 最大 16A（ハウジングの温度 25℃の時）
この動作条件は、当然のことながら温度が上昇すると、SOA の範囲を越えるので出力できなくなります。
例えば出力電圧と出力電流の位相角が 0°のような抵抗性負荷の場合、パワートランジスタに対しては高い性能を必要としません。

図 5：UOUT, VCE と ICE（1 トランジスタ） @ Rload = 2.16Ω
図 5 は、トランジスタ電圧 VCE とトランジスタの出力電流 ICE における、出力電圧 UOUT の時間ベースの特性を表しています。負荷 Zload = 2.16Ωです。
ICE = 0A で VCE 最大のポイント、または VCE = 40VP のポイントで ICE が最大となり、UOUT = 50V /4kHz で消費電力は：Pt = (((UOUT * Ub)/π) – UOUT2 / 4) / RI = 373.8W が得られます。
この例から、次のことが導かれます：
アンプの消費電力は、負荷の位相角が大きくなるにつれて増加する。
通常のバイポーラ電源は、無効負荷に対して長時間出力を続けるようには設計されていません。無効負荷に出力を続けると、トランジスの電力損失が大きくなり温度が上昇し使用可能な SOA の範囲を超えてしまい場合によってはダメージを受けます。HUBERT 社製品は、無効電力用の保護回路が搭載されており、一定期間の無効電力を検知するとダメージを回避するために自動停止します。ソース出力よりシンク出力は小さくなるので負荷によって適切なソース・シンク能力のアンプを選択してください。
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次の章では HUBERT アンプの性能と特徴について説明します。

動作電圧レンジと出力電圧
前記の通り、4 象限アンプの重要な目的は、安全かつ効率的にアンプを動作させるために、全ての負荷状況においてパワートランジスタの電圧を可能な限り低くすることです。同様に、発生する消費電力を最小限にし、アンプの効率を向上させます。
HUBERT アンプでは、パワーアンプの供給電圧を可変にすることによって電力損失の低減を実現しています。アプリケーションにあわせ、3 つの動作電圧レンジから選択できます。

図 6：HUBERT の出力段
図 6 は、選択可能な 3 つの動作電圧を持つ HUBERT アンプの出力段の簡略図です。
±Ub_low = 30V; ±Ub_mid = 60V; ±Ub_high = 90V必要とされる出力電圧に応じて、動作電圧はパワートランジスタ+Ub または-Ub に対して調整され、電圧 Vce は低いレベルに抑えられています。
この方法により、上記で述べた安全かつ効率的な動作を実現しています。
±Ub_mid = 60V の時、出力電圧は Uout = 50V となります。
時間 t1 の時 Vce = 60V – ( -40V) = 100Vp であり、動作電圧レンジを切り替える事により、より安全なトランジスタの動作領域で運転しています。
HUBERT のアンプ A1110 シリーズでは、必要とされる供給電圧+Ub, -Ub は、アンプのフロントパネルの操作部にて、手動でスイッチ S1, S2 を個別に設定が可能です。リモートコントロール用のソフトウェアでも設定が可能で、機器設定の時間短縮を実現しています。また、A1110 シリーズは自動試
験システムのリモート操作を可能にするため、さまざまなリモートコマンドを提供しています。
A1110-X-QE タイプでは、出力に応じて自動的に動作電圧レンジを切り替えるオートレンジ機能を装備しています。これにより、必要とされる供給電圧が、出力電圧に応じて自動的に各極毎に非同期（S1≠S2）でレンジを切り替えることが可能になります。

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供給可能な動作電圧は：±Ub_low = 10V; ±Ub_mid = 45V; ±Ub_high = 90V
本機能の原理は、無効負荷のサンプルを用いて、以下で説明します。

図 7：供給電圧及び出力電圧と電流（4kHz）
図 7 は、動作電圧+Ub（説明のため正の動作電圧のみ表示）、出力電圧 Uout と出力電流 Iout の時間軸上の変化を表しています。
動作電圧は、出力電圧に応じてそれぞれ必要な電圧に切り替えられます。例えば時間 t1=5.54ms（青線）の時、電流 Iout = 16Ap で正であり、出力電圧 Uout = -40V で負となっています。ここでは動作電圧が切り替わらず Ub=90Ｖの場合、トランジスタにかかる電圧は 130Ｖに達しますが、自動的に Ub =45V に切替えられているため、Vce = 85V となり、トランジスタへの印加電圧を低減しています。
この結果、パワートランジスタの負荷が大幅に軽減され、保護回路が動作することなく安全に永続的な動作が可能となります。
両極の供給電圧が非同期で切り替え可能なため、A1110-X-QE タイプのアンプはアクティブな負荷として動作させることが可能です。
HUBERT の 4 象限パイポーラ電源の詳細な性能は、データシートに記載されています。各象限における出力制限値は、関連する Uout/Iout グラフで確認することができます。

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まとめ
特に無効負荷の場合、目的のアプリケーションに応じて、4 象限（ソース・シンク）全ての出力特性の確認が必要です。

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