ロイヤー発振器

ロイヤー発振器は、主電源経路に飽和コア変圧器を使用する電子緩和発振器です。1954 年 4 月にリチャード L. ブライトとジョージ H. ロイヤーによって発明され、特許を取得しました。この 2 人は特許に共同発明者として記載されています。 ^[1] この発振器には、シンプルさ、部品数の少なさ、矩形波形、変圧器の絶縁などの利点があります。インバーターであるだけでなく、変圧器の出力巻線が適切な整流段に接続されている場合は、ガルバニック絶縁された DC-DC コンバーターとして使用することもできます。この場合、結果として得られる装置は通常「ロイヤー コンバーター」と呼ばれます。

これにはいくつかの欠点があり、最も顕著な欠点は、出力電圧（振幅と周波数の両方）が入力電圧に大きく依存し、Royer が特許を取得した元の設計を大幅に変更しない限り、これを克服できないことです。もう 1 つの欠点は、設計周波数で最大（飽和）磁束密度で動作する必要があるため、変圧器での電力損失が非常に大きくなる可能性があることです。したがって、変圧器は Royer インバータの重要なコンポーネントであり、（a）機能（出力電圧の振幅と周波数）と（b）その機能の実行度（全体的な効率）に影響を与えます。

ロイヤー発振回路は、センタータップ付きの一次巻線、フィードバック巻線、および（オプションで）二次巻線を備えた飽和コアトランスから構成されます。一次巻線の 2 つの半分は、プッシュプル構成の2 つのトランジスタによって駆動されます。フィードバック巻線は、トランスの電力の一部をトランジスタのベースに結合して正のフィードバックを提供し、発振を生成します。発振周波数は、最大磁束密度、電源電圧、および一次巻線のインダクタンスによって決まります。

基本的なロイヤーは方形波出力電圧を生成しますが、^[2] これは一部のアプリケーションでは有利です。この方形波出力電圧は、適切な整流段（通常はダイオード全波ブリッジ、その後にフィルタチョークと平滑コンデンサが続く）を通過することで定電圧（DC）に変換できます。

この回路は、磁気コアの飽和のみを利用して 2 つの状態間の切り替えを行いますが、これには 3 つの重要な結果が伴います。

まず、ヒステリシス損失によるコアの電力損失が高く、電力変換効率が低下します。磁性材料の電力損失は、ピーク磁束密度の 2 ～ 3 乗と周波数の 1 ～ 2 乗に比例します (シュタインメッツの式を参照) 。

第二に、動作周波数には上限があります。このため、実際の Royer コンバータは、はるかに高い周波数で動作する同様の電力定格の最新のスイッチ モード電源よりも大きく、重くなります。

第三に、これにより適切なコア材料の選択が制限されます。以下に一般的な材料のリストを示します (電力損失密度に注意してください)。

古典的なロイヤー発振回路は、負荷に対して方形波出力が許容される一部のDC-ACインバータで使用されています。DC-DCコンバータ形式（ロイヤーコンバータ）は1970年代に非常に人気があり、当時はバイポーラトランジスタで実装されていました。^[3] しかし、上記の欠点により、電力レベルは通常数百ワット未満に制限されます。

スイッチングトランジスタに制御信号のみを供給するために別の飽和磁気コアを使用することで、主変圧器は飽和する必要がなくなり、電力損失が大幅に削減されます。追加された変圧器は主変圧器よりもはるかに小さいため、飽和状態での動作による電力損失は、主変圧器が飽和状態で動作した場合に発生する電力損失よりもはるかに低くなります。これにより、コンバータ全体の効率が大幅に向上し、はるかに高い電力定格の DC-AC インバータと DC-DC コンバータを実装できます。さらに、設計者は、より幅広い適切なコンポーネントと材料から主変圧器を自由に選択または設計できるようになりました。この改良は、1955 年に Jensen によって最初に特許取得されましたが、これは Royer が 1954 年 4 月 6 日に特許を申請してからわずか 16 か月後のことでした。^[4]

オリジナルのロイヤー発振器の欠点は、スイッチング遷移時間（トランジスタスイッチが (a) オフからオン、または (b) オンからオフのいずれかの状態に変更する時間）中にスイッチングトランジスタにかかるストレスが高いことです。この間、トランジスタは高電圧と高電流の両方を同時に経験し、トランジスタ内で大きな瞬間電力消費を引き起こします。この欠点は、入力電源とトランスのセンタータップの間にインダクタを挿入することで軽減されます。このインダクタにより、前述のスイッチング遷移時間中にセンタータップ電圧が低下し、入力電流は比較的一定に保たれます（そのため「電流供給」と呼ばれます）。これにより、電流がトランジスタ間で転送される間、各トランジスタの電圧が低くなり、トランジスタの瞬間電力消費が大幅に削減されます。この改良版は、一部の書籍では電流供給ロイヤー発振器と呼ばれています。 ^[5]

この改良のほとんどの例では、設計者は、このインダクタのインダクタンス値 (ヘンリー単位) を、このインダクタに流れる電流が比較的一定になるように、意図的に十分に大きく選択します。通常、電流には小さなリップル成分 (たとえば、ピークツーピーク リップルが平均値の 30% 未満) があります。このような場合、このインダクタは「DC チョーク」または単に「チョーク」と呼ばれます。 チョーク (電子工学)を参照してください。

この改良は、前述の Jensen コンバータにも適用できます。

さらなる改良は、入力電圧源とチョーク（インダクタ）の間に降圧コンバータを追加することである。この降圧コンバータはチョークに流れる電流を調整するために使用することができ、出力電圧を制御することができる。もちろん、この改良はオリジナルのロイヤーとジェンセンの変種の両方に同等の効果で適用できる。この初期の例はジョーンズの米国特許に見られる。^[6]

技術は常に進歩しており、この点では自己発振回路の開発も例外ではありません。1959年、ロイヤー発振器の特許が取得され公開されてからわずか数年後、新しい発振器が発明されました。これは、ピーター・ジェームズ・バクサンドールが特許を取得し、^[7] 1959年の会議論文でその動作を明確に説明したため、一般に「バクサンドール・インバータ/コンバータ」と呼ばれています。^[8] バクサンドール・インバータ/コンバータは、Wikipediaに独自の記事を書く価値がありますが、時には「共振ロイヤー」と呼ばれるため、ここで簡単に触れます。ただし、以下に示すように、動作原理は元のロイヤーとはまったく異なるため、これは誤った名称です。

「バクサンドール コンバータ」 (誤って「共振ロイヤー」と呼ばれることもある) と呼ばれる別の自己発振インバータ/コンバータ設計があり、これは方形波電圧ではなく正弦波出力電圧を生成し、適切な整流段に接続することで DC-DC 変換にも使用されます。これは 1959 年にPeter James Baxandallによって初めて説明されました。^[7]ロイヤー発振器とバクサンドール発振器には 3 つの大きな違いがあり、これらの違いは電力変換 (DC-AC電力インバータ、または DC-DC DC-DC コンバータ) の分野への応用という観点から以下で説明します。

まず、チョーク (インダクタ) が、変圧器の一次タップへの供給電圧と直列に接続されます。これにより、Baxandall インバータは、前述の Royer の電流供給型と同様に、電流供給型になります。

次に、共振タンク回路は、スイッチング トランジスタの 1 次側、または出力巻線の 2 次側、あるいはその両方の組み合わせのいずれかに、トランスと並列にコンデンサを追加することによって形成されます。この変更により、Baxandall の出力電圧は正弦波 (正弦波を参照) になり、従来の Royer 回路の出力電圧は方形波 (方形波を参照) になります。

最後に、3 つ目の大きな違いは、トランスが飽和しない、または飽和してはならないことです。2 つのトランジスタ間の切り替えは、インダクタとコンデンサの間に発生する自然共振によってのみ行われ、磁気コンポーネントの飽和によって行われるわけではありません。これが、これら 2 つの発振器の基本的な違いです。Royer は磁気コンポーネントの飽和によって自己発振しますが (飽和 (磁気)を参照)、Baxandall は LC 共振によって自己発振します (共振を参照)。

1 つのトランジスタがオンのとき、そのコレクタ電圧はほぼゼロで、入力チョークの電流を 1 次巻線の 1 つに送ります。同時に、もう 1 つのトランジスタはオフで、その電流はゼロですが、電圧は半正弦波 (ピーク = Vin * PI) です。トランジスタは、入力電流をトランスの 1 次巻線のそれぞれに交互に送ります。1 次巻線の反対方向の電流は常にバランスが取れていますが、1 次巻線全体では完全な正弦波が「見えます」。このようにして、プッシュプル モードでトランジスタを交互に完全にオンとオフに切り替えながら、正弦波を生成できます。これが Royer コンバータとの唯一の類似点です。

トランスのセンタータップ ノードの電圧は、インダクタが電流の変化に抵抗するため、上下に振れます。その結果、波形は全波整流器の出力によく似たものになります (整流器を参照)。DC 供給電圧は平均に等しいため、タップのピークは約 (pi/2)*Vcc になります。トランスは一次側で 2:1 オートトランスのように動作するため、「オフ」トランジスタのコレクタ電圧は 2 倍、つまり pi 倍の Vcc に達します。

同様のアイデアを採用した回路は、ベル電話研究所に譲渡された1973年のDC-DCコンバータの特許^[9]に記載されており、興味深いことに、共鳴と磁気飽和の両方を使用しています。

このタイプの回路は、Tektronix 547オシロスコープのCRTを駆動するために使用されました。^[10]

Baxandall コンバータの別の用途は、冷陰極蛍光灯 ( CCFL )への電源供給です。CCFL は高調波があると電流から光への出力効率が低下するため、矩形波よりも正弦波で駆動する方が適しています。^[11]光強度調整を行うために、集積回路は通常、追加のトランジスタのゲートでパルス幅変調信号を駆動し、給電チョークとともに降圧 ("バック") コンバータを形成します。^[12]他の集積回路は、2 つの発振器トランジスタも制御し、トランスの中間タップのゼロ バレーを感知してこれを行います。^[13]

Baxandall コンバータは、最近、非常照明やキャンプなどで、低電圧源 (多くの場合、充電式バッテリーを使用) から蛍光灯を駆動するのに使用されています。また、1959 年の論文で、Baxandall は正弦波発振器の電圧スイッチ型について説明しています。この型は、コンパクト蛍光灯 (CFL) 用のほとんどの 2 トランジスタ ドライバの先駆けであったようで、最近では低電圧LEDランプを駆動するために拡張されています。

オリジナルの Royer 発振器/インバータは、「自己発振回路」の一例です。その動作周波数は、外部電源 (入力 DC 電圧) と、装置を通過する全電力を処理する主要な電力コンポーネントの少なくとも 1 つによってのみ決定されるためです (以下の注 1 を参照)。自己発振インバータ (およびコンバータ) の例は他にもあり、完全に異なる原理で動作するにもかかわらず、同じ名前「Royer」(またはそのバリエーション) で呼ばれることがあります。Baxandall 発振器は注目すべき例で、「共振 Royer」、または「自己共振 Royer」、または「LC Royer」と呼ばれることもありますが、その動作は Royer が依存する磁気飽和とはまったく関係がなく、非飽和状態で動作するインダクタとコンデンサの間で発生する電気エネルギーの自然共振の原理で動作します。磁気飽和は、通常、バクサンドール発振器では非常に望ましくない現象であり、実際、ほとんどの電力変換装置の設計者は、これを避けるよう細心の注意を払っています。オリジナルの Royer は、主電源トランスコアの磁気飽和を主な動作原理として使用しているという事実により、過去数十年間に電力変換の分野で採用されてきたさまざまな回路の中でも非常にユニークなものとなっています。そのため、同じ原理に依存しない他の電力変換回路にその名前を不用意に適用すべきではありません。

残念なことに、この命名上の混乱は現代の文献（例えばデータシート）では蔓延しており、^[14]、これは回路設計の分野で非常に尊敬されている2人の実践者の間のこのやり取りのトピックの1つです。^[15]

Royer 発振器は、広く使用され、普及した自己発振回路の初期の例の 1 つであるため、その後数十年間にわたって他の自己発振回路に「Royer」という名前が付けられたことは理解できるかもしれません。さらに、「Royer」または「Royer クラス」という単語は、「主電源トランスの磁気飽和に基づく自己発振インバータ/コンバータ回路」と書くよりも便利です。ただし、「Royer」という名前を誤って使用することは、混乱を招くだけなので避けるべきです。これらの回路が最初に発明されてから 50 年以上経っているため、「Royer」という名前は、元の特許の概念に厳密に準拠した回路にのみ適用する必要があります。

Royer 発振器の元の特許に最初に記載された名前は Richard L. Bright で、Royer の名前は 2 番目に記載されていますが、Royer 発振器が「Bright 発振器」と呼ばれることはめったにありません。比較すると、「Baxandall」という名前が、特許と最初の公開の両方で最初に記載され、実際、唯一の名前となっています。

注 1: これを「自己発振」ではない電力変換回路と比較してください。この場合、動作周波数は主電源コンポーネントから独立しており、通常は装置の主電源ポート間の電力転送に関与しない補助制御回路 (制御チップなど) によって決定されます。

• アブラハム・プレスマン、キース・ビリングス、テイラー・モリー（2009年）。スイッチング電源設計、第3版。McGraw Hill Professional。pp. 266–278。ISBN 978-0-07-159432-5。(クラシック) Royer 発振器のFETバージョンの詳細な分析があります。
• ジョンソン・I・アグビニャ編 (2012)。ワイヤレス電力伝送。リバー・パブリッシャーズ。pp. 187–193。ISBN 978-87-92329-23-3。Baxandall (「共振 Royer」) 回路の公式の解析的導出と、実際の回路 (MOSFET を使用) から測定されたデータとの比較が含まれています。
• Royer, GH (1955)。「DC 入力電圧に比例した出力周波数を持つスイッチング トランジスタ DC から AC へのコンバータ」。米国電気学会誌、第 1 部: 通信とエレクトロニクス。74 (3): 322–326。doi :10.1109/ TCE.1955.6372293。S2CID 51650425  。1955 年にロイヤーが自身の回路について書いた論文。
• George Henry (2000)、「LX1686ダイレクトドライブ CCFL インバーター設計」。Microsemiアプリケーション ノート AN-13。CCFL アプリケーションで使用される Baxandall (「共振 Royer」) の批評が含まれています (また、別のインバーター設計を提案しています)。