コレクター共振型インバータ

7MHzのE級アンプを作ってみようかと、ネットを探していたら、こんな回路が見つかった。
「コレクター共振型インバータ」だ。この回路は、その昔、仕事で使った事がある。その装置は、電話の着信信号の発生機だ。電話局であれば、16Hzの正弦波で80Vrms位をだす。宅内装置だと、正弦波は作りにくい（トランスが大きくなってしまう）ので、20Hzの方形波を使うことが多かった。20Hzをロイヤー回路で実現するのだが、トランスの磁気飽和を利用して、低周波の20Hzを作るため、効率が悪い上、発熱するし、トランスが大きくて重い。

そんな時、このコレクター共振型のインバータで±80V DCを作った上で、OPampの20Hz発振器でトランジスタースイッチングで装置を仕上げた。体積が小さくなった上、効率も格段に改善した。周辺回路を含めて、トータルで80%以上の変換効率を得たと記憶している。SWデバイスはパイポーラトランジスターを使った。
コレクター共振型に行き着くまでに、ジェンセン回路でも製品化したが、発振用の磁気飽和トランスがもう一個必要となるし、効率もコレクター共振型には及ばなかった。インバータについては、ここに記載がある。

FETを使わなくても、バイポーラでも高速にSWできる。スイッチング時にON時に電流は流れるが、共振のため電圧が立ち上がるところで0である。電流とクロスする時間が少なくて、ロスが少ない。OFF時も同様だ。最近ではこのことをZVS方式と呼ぶ。トランスの巻線を巧みに使うことにより、OFF時にSWトランジスターのベースに負の電圧を加えて、ベース-エミッター間に蓄積された電荷を急激に引き抜く。これによりOFF時の動作が高速化されSWロスを低減される。バイポーラトランジスターでも高速SWができる理由だ。FETが安価で低ON抵抗が実現できるまでは、みんなこんな回路の工夫をしていた。もっとも、今のFETでも、入力容量をドライブするにはコンプリメンタリーのMOSとかを使って、容量対策をしないと、高速SWはできない。この辺りは昔と同じだ。

話はだいぶそれてしまったが、調べていたE級アンプとコレクター共振型インバータは共通する点が多く、これをもう一度作ってみたくなった。デバイスは何でも良いが、E級アンプでも使おうと考えていたMOS FETの2N7000を使うことにした。
自分で一から考えると大変なので、参考になる物を探した。トランジスター技術2006年10月号の記事だ。

今回実験した回路図とトランスの仕様だ。「DC_DC_inverter.pdf」をダウンロード

まずは、こんなトロイダルコアで実験してみた。T90-26という材料だ。#26材は電源用のものだ。フェライトではなく、センダストのようなものだろうか。SW電源のチョークコイル用だ。aitendoで入手した。
結果は、失敗。コアロスが多くて、短時間でもコアが発熱する。コレクター側は20Tx2で約100uHを得ている。

うまく発振しない時は、コイルの巻き始めを入れ替えてみる。回路図のとおりでないと発振しない。このような雑な作りだと、間違うことが多い。

トロイダルではうまく行かなかったので、オーソドックスなEIコアで試してみる。インダクタンスは100uHを狙うが実際にには約87uHとなった。コア間のギャップは0.12mmのプラスチックフィルムを2枚挟んでいる。磁路としては2回ギャップが入るので0.24mm x2と計算すべきかもしれない。（フィルムはOHPのシート）

ボビンの足は使わずに線を引き出しているので、線がごちゃごちゃしている。

結果は、入力12.0V時に110mAで、78Vp-p　1Kオーム負荷時を得た。実効値に直して計算すると、効率は58%ぐらいになる。
効率はそれほど良くないが、適当にコイルを巻いた割にはいい。まだまだ改善の余地ありだ。FETは全く熱を持たない。熱を持つのはC2 0.1uFとトランスの巻線だ。共振用のC2は普通のフィルムコンデンサーを使ったが、共振電流も流れるため、電流容量を求められる。ポリプロピレン製を使うのが普通だが、素人には手にはいらない。(※追記　千石電商に置いてあるようだ)セラミックとか容量に電圧依存性があるものもまずい。フィルムコンデンサーを並列に使うのが良いかもしれない。C2とトランスの1次側（ドレインの巻線）で発振周波数が決まる。
巻線の発熱は直径0.26mmのポリウレタン線を使ったのでこれでは細すぎる。2次側にどれほど巻くかにもよるが、0.4mmぐらいが良いだろうか。文献によると、この回路方式はコアの発熱もあって、一定以上には効率が上がらないようだ。巻数を減らして、C2を大きくする手もある。この辺りは追試が必要だ。

発振周波数は約54KHz。これはドレイン-GND間の波形だ。この波形だけ見ると、まさにE級アンプの波形と同じだ。今回、E級アンプで、この波形を見てコレクター共振型インバータに至ったわけだ。（何と、話が回りくどいこと・・・・）
スイッチング電源の場合、電圧波形だけを観測していても不十分だ。Lを使う回路は、実は電流変化を見ないと理解が進まない。電流波形を見るのは簡単ではなくで、高価な方法では、テクトロニクス製の電流プローブとampを使う方法がある。DCから50MHzぐらいまで観測できる。
簡単には、1オームくらいの抵抗を挿入して、電圧に変換して見ることになるが、場合によっては、回路に影響を与えてしまうことになり難しい。Lに電流が充電していくさまを見ることができる。Cに電圧が充電される時のように。

これは出力の、1Kオーム端の波形。ここに100V程度の耐圧を持った高速ダイオードで整流することで、直流を得ることができる。ただし、フィードバック制御をかけることができないので、トランスの巻数比のみで決まる電圧が発生する。トランジスターやダイオード、巻線のロスで負荷によって、電圧がドロップする。定電圧が欲しければ外部にドロッパーの回路を付加したりする。
これで真空管のB電圧を作ることもできる。ラジオの電源にもできるが、SWノイズをかぶってしまい厳しいと思う。オーディオアンプなら使えるかもしれない。