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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Erfindungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromversorgungsvorrichtung, die mit einer Lastschaltung verbunden ist, einschließlich einer Gleichstrom- bzw. DC-Stromversorgung.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Eine herkömmliche Stromversorgungsvorrichtung (engl. Power Supply Device), wie z.B. in Patentdokument 1 offenbart, umfasst: eine erste Gleichstromversorgung; eine Chopper-Schaltung aus einem Chopper-Schaltungselement Q1, einem Synchron-Gleichrichtungs-Schaltelement Q2 und einer Drossel (L1) verbunden mit dem Verbindungspunkt zwischen den Schaltelementen Q1 und Q2; einen Ausgangsglättungskondensator Cout; und einer Ansteuerschaltung, die eine An- und Ausschalten des Chopper-Schaltelements Q1 steuert. Die Ansteuerschaltung gibt ein Ansteuersignal derart aus, um das Schaltelement Q1 für eine vorbestimmte Zeit T1 anzuschalten, und für eine vorbestimmte Zeit T2 in einer alternierenden Art und Weise auszuschalten, wobei eine Eingangsschaltung von der ersten Gleichstromversorgung auf eine vorbestimmte Ausgangsspannung abfällt, und ein Strom zu einer Lastschaltung geliefert wird, die parallel mit dem Ausgangsglättungskondensator Cout verbunden ist.
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Wie darüber hinaus z.B. in 8 des Patentdokuments 2 gezeigt ist, wird eine Filterschaltung mit einer Filterspule und einem Filterkondensator bereitgestellt, um zu verhindern, dass ein Leitungsrauschen, das durch eine Chopper-Schaltung entsteht, in eine Gleichstromversorgung oder eine Lastschaltung fließt.
- Patentdokument 1: Japanische veröffentlichte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2012-75207
- Patentdokument 2: Japanische veröffentlichte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2009-118552
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In den oben stehenden herkömmlichen Stromversorgungsvorrichtungen ist die Drossel L1 derart ausgebildet, einen vorbestimmten Induktivitätswert zu erhalten, wenn der Nennstrom darin fließt. Wenn die Lastschaltung jedoch mit einer zweiten Gleichstromversorgung konfiguriert ist, gibt es die Gefahr eines exzessiven Stroms, wenn die AN-Zeit T1 und die AUS-Zeit T2 von den Werten abweichen, die ursprünglich erforderlich sind, aufgrund externer Störungen, wie z.B. eine Lastfluktuation der Lastschaltung.
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Eine Drossel weist im Allgemeinen inhärent eine Droop-Charakteristik auf, bei der dessen Induktivitätswert abfällt, wenn ein Gleichstrom durch diese fließt; sobald ein exzessiver Strom fließt geht daher die Stromerhöhungsrate mit einer beschleunigten Geschwindigkeit nach oben, was wahrscheinlich zu einem Schaden für die Stromversorgungsvorrichtung führt.
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Ein bestimmter Pegel eines Induktivitätswerts muss daher sichergestellt werden, selbst in einem exzessiven Stromflussbereich, was zu einem Problem führt, das darin besteht, dass die Drossel in deren Größe anwächst.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung zielt auf die Reduzierung der Größe einer Drossel in einer Stromversorgungsvorrichtung, die mit einer zweiten Gleichstromversorgung in dessen Lastschaltung konfiguriert ist.
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Eine Stromversorgungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: eine erste Gleichstromversorgung; eine Lastschaltung mit einer zweiten Gleichstromversorgung; eine Chopper-Schaltung, die zumindest ein Schaltelement und ein Freilauf-Halbleiterelement und eine Drossel enthält, verbunden mit einem Verbindungspunkt zwischen dem Schaltelement und dem Freilauf-Halbleiterelement, und zwischen der ersten Gleichstromversorgung und der Lastschaltung verbunden ist; und eine Filterschaltung, die eine Filterspule und einen Filterkondensator enthält, und verbunden ist zwischen der ersten Gleichstromversorgung und der Chopper-Schaltung, oder zwischen der zweiten Gleichstromversorgung und der Chopper-Schaltung; wobei eine Gleichstrom-Induktivitäts-Kennlinienkurve der Filterspule und eine Gleichstrom-Induktivitäts-Kennlinienkurve der Drossel einen Schnittpunkt miteinander aufweisen, und ein Induktivitätswert der Drossel größer als der der Filterspule in einem Strombereich ist, der geringer ist als ein Stromwert an dem Schnittpunkt.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht, dass eine Reduzierung der Drosselgröße in einer Stromversorgungsvorrichtung leicht erzielt werden kann, deren Lastschaltung eine zweite Gleichstromversorgung enthält, indem lediglich die Gleichstrom-Induktivitäts-Kennlinie der Drossel, der Chopper-Schaltung und jene der Filterspule, der Filterschaltung derart ausgewählt werden, sodass eine bestimmte Beziehung eingerichtet wird.
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Die obenstehende und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen noch weiter ersichtlich werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Schaltungskonfigurationsdiagramm einer Stromversorgungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
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2A, 2B und 2C sind jeweils erläuternde Ansichten, die Beziehungen zwischen den Formen einer Filterspule L2 und einer Drossel L1 sowie deren DC-Strom-Induktivitätskennlinie gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung zeigen;
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3 ist eine Wellenformansicht eines Stroms, der durch eine Filterspule L2 und eine Drossel L1 gemäß Ausführungsform 2 der Erfindung fließt;
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4 ist eine erläuternde Ansicht zur Darstellung eines gemeinsamen Beispiels von Beziehungen zwischen einem Verlust aufgrund magnetischer Flussvariationen und einer magnetischen Sättigungsflussdichte für unterschiedliche Kernmaterialien gemäß Ausführungsform 2 der Erfindung;
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5 ist eine erläuternde Ansicht zur Darstellung von Beziehungen zwischen den Formen einer Filterspule L2 und einer Drossel L1 und deren DC-Strom-Induktivitätskennlinien gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung; und
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6 ist ein Schaltungskonfigurationsdiagramm einer Stromversorgungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 4 der Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsform 1
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1 zeigt die Konfiguration einer Stromversorgungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
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Die Stromversorgungsvorrichtung (engl. Power Supply Device) gemäß dieser Ausführungsform 1 umfasst: eine erste Gleichstromversorgung E1; eine Lastschaltung L mit einer zweiten Gleichstromversorgung E2; eine Chopper-Schaltung CH mit einem Chopper-Schaltelement Q1, einem Synchrongleichrichter-Schaltelement Q2 und einer Drossel L1, die mit dem Verbindungspunkt zwischen den Schaltelementen Q1 und Q2 verbunden ist; eine Filterschaltung FI, die eine Filterspule L2 und einen Filterkondensator C enthält und zwischen der ersten Gleichstromversorgung G1 und der Chopper-Schaltung CH zwischengeschaltet ist; und eine Ansteuerschaltung DR, die eine An- und Ausschalten des Chopper-Schaltelements Q1 steuert; wobei die Ansteuerschaltung DR ein Ansteuersignal ausgibt, um das Schaltelement Q1 für eine vorbestimmte Zeit T1 einzuschalten und für eine vorbestimmte Zeit T2 in einer alternierenden Art und Weise auszuschalten, wobei eine Eingangsspannung von der ersten Gleichstromversorgung T1 auf eine vorbestimmte Spannung abfällt, um einen Strom an die Lastschaltung L zu liefern.
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In dieser Stromversorgungsvorrichtung dient die Drossel L1 dazu, dass ein kontinuierlicher Stromfluss ermöglicht wird, wenn das Chopper-Schaltelement Q1 an- und ausschaltet. Die Filterspule L2 wird darüber hinaus bereitgestellt, um zu verhindern, dass eine Leitungsstörung bzw. ein Leitungsrauschen, das durch die Chopper-Schaltung CH hergestellt wird, in die Gleichstromversorgung fließt, und dient zur Entfernung von Rauschkomponenten, die der Filterkondensator nicht entfernen kann.
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In dem normalen Betrieb werden Schaltungskonstanten derart ausgewählt, dass der Induktivitätswert der Drossel L1 größer als der der Filterspule L2 wird.
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Wenn andererseits die AN-Zeit T1 und AUS-Zeit T2 von den Werten abweichen, die ursprünglich erforderlich sind, aufgrund externer Störungen, wie z.B. eine Lastfluktuation der Lastschaltung L2, ist es wahrscheinlich, dass ein exzessiver Strom zwischen der ersten Gleichstromversorgung E1 und zweiten Gleichstromversorgung E2 auftritt.
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Die Filterspule L2 und Drossel L1, die in Reihe zwischen der ersten Gleichstromversorgung E1 und zweiten Gleichstromversorgung E2 verbunden sind, können zu diesem Zeitpunkt unterdrücken, dass ein Strom ansteigt. Eine Drossel weist jedoch im allgemeinen eine inhärente Droop-Charakteristik auf, wobei deren Induktivitätswert abfällt, wenn ein Gleichstrom da hindurch fließt; sobald der exzessive Strom darin fließt, geht die Stromerhöhungsrate mit einer beschleunigten Geschwindigkeit nach oben, was wahrscheinlich zu einer Beschädigung der Chopper-Schaltung CH führen wird. Ein bestimmter Pegel eines Induktivitätswerts muss daher sichergestellt werden, selbst in einem Hochstrombereich.
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Die Beziehung zwischen dem Gleichstrom und der Induktivität hängt von der Anzahl der Wicklungen der Spule und von einem magnetischen Widerstand ab (ein Wert, der von der Querschnittsfläche von dessen Kern, Kernmaterial, einem Luftspalt in der magnetischen Schaltung usw. abhängt). Der Versuch, den bestimmten Pegel der Induktivität durch eine einzelne Spule sicherzustellen, während ein großer Induktivitätswert bei einem geringen Strom beibehalten wird, würde zu einem Ansteigen der Spulengröße führen.
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Die Gleichstrom-Induktivitäts-Kurve der Filterspule L2 und die der Drossel L1 schneiden sich in der Ausführungsform 1, und Konstanten für L1 und L2 werden derart ausgewählt, dass der Induktivitätswert der Drossel L1 größer als der der Filterspule L2 bei dem geringen Strom wird.
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Die 2A, 2B und 2C sind jeweils erläuternde Ansichten, die Beziehungen zwischen den Formen der Filterspule L2 und Drossel L1 und deren Gleichstrom-Induktivitäts-Kennlinienzeichen. 2A stellt einen Fall dar, wobei die Gleiche Spule für die Drossel L1 und die Filterspule L2 verwendet wird; 2B einen anderen Fall, wobei die Induktivität durch die Drossel L1 bei einem hohen Strom sichergestellt wird; und 2C noch einen anderen Fall, wobei die Induktivität durch die Filterspule L2 bei dem hohen Strom sichergestellt wird.
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In dem Fall der Kombination in 2A, geht die Induktivität bei dem hohen Strom in einen nicht sichergestellten Zustand.
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Im Fall der Kombination gemäß 2B wird die Kernquerschnittsfläche der Drossel L1 erhöht, um die Induktivität bei dem hohen Strom sicherzustellen (die Kernquerschnittsfläche wird auf einen zweifach größeren Wert im Vergleich mit der Konfiguration gemäß 2A erhöht), und bezüglich der Filterspule L2 wird die Kernquerschnittsfläche und die Wicklungsanzahl der Spule verringert, da der für die Filterspule erforderliche Induktivitätswert geringer als der der Drossel L1 ist (die Kernquerschnittsfläche und die Wicklungsanzahl werden auf die Hälfte von der gemäß der Konfiguration in 2A verringert). Als ein Ergebnis wird das Volumen der Drossel L1 verdoppelt und das der Filterspule L2 wird zu einem Viertel, verglichen mit der Konfiguration in 2A.
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In dem Fall der Kombination gemäß 2C weist die Drossel L1 die gleiche Konfiguration wie jene in 2A auf, und bezüglich der Filterspule L2 wird die Wicklungsanzahl der Spule verringert, um die Induktivität der Spule bei dem hohen Strom sicherzustellen (die Wicklungsanzahl wird auf die Hälfte verringert, verglichen mit der Konfiguration gemäß 2A). Als Ergebnis bleibt das Volumen der Drossel L1 intakt, und das der Filterspule L2 wird halbiert, verglichen mit der Konfiguration gemäß 2A.
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Wenn die Konfigurationen gemäß 2B und 2C miteinander verglichen werden, kann die Konfiguration gemäß 2C mit einem Volumen von 67% erreicht werden.
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Die Gleichstrom-Induktivitätskurve der Filterspule L2 und der der Drossel L1 schneiden sich, wie in 2C gezeigt, mit anderen Worten an dem Schnittpunkt CP, und darüber hinaus werden Konstanten für L1 und L2 derart ausgewählt, dass der Induktivitätswert der Drossel L1 größer wird als der der Filterspule L2, in dem Bereich eines Stromes, der geringer ist als ein Stromwert an diesem Schnittpunkt CP, wobei die Drossel L1 und die Filterspule L2 in ihrer Größe reduziert werden können, sodass die Stromversorgungsvorrichtung miniaturisiert werden kann.
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Es werden im Folgenden Gleichstrom-Induktivitäts-Kennlinien in der Tabelle als ein Beispiel gezeigt, bei dem eine ringförmige Spule mit einem Durchmesser von 33 mm und einer axialen Länge von 22 mm (ein Volumen von 19 Kubikzentimeter) für die Drossel L1 verwendet wird, und zwei stabförmige (offene Magnetschaltungs-)Spulen, verbunden in Reihe, mit einem Durchmesser von 15 mm und einer axialen Länge von 24 mm (ein Volumen von 8,5 Kubikzentimeter) für die Filterspule L2 verwendet werden.
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Wie oben erläutert schneiden sich die Gleichstrom-Induktivitäts-Kurve der Filterspule L2 und jene der Drossel L1 miteinander, und der Induktivitätswert der Drossel L1 wird in dem Strombereich größer gemacht als der der Filterspule L2, der geringer ist als der Stromwert zu diesem Schnittpunkt. Indem die Kennlinien wie oben beschrieben ausgebildet werden, kann die Filterspule verglichen mit der Drossel in deren Größe reduziert werden.
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Darüber hinaus wird bevorzugt, dass der Stromwert an dem Schnittpunkt in dem Strombereich ist, der höher als der Nennstrom der Stromversorgungsvorrichtung ist, und darüber hinaus in dem Strombereich, der geringer als ein exzessiver Strom ist (ein Strom, den Elemente in der Stromversorgungsvorrichtung standhalten können).
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Wie oben erläutert umfasst die Stromversorgungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung: die Chopper-Schaltung CH, verbunden zwischen der ersten und die Filterschaltung FI mit der Filterspule L2 und dem Filterkondensator C, verbunden zwischen der ersten Gleichstromversorgung E1 und Chopper-Schaltung CH; wobei die Gleichstrom-Induktivitäts-Kurve der Filterspule L2 und die der Drossel L1 einen Schnittpunkt miteinander aufweisen, und den Induktivitätswert der Drossel L1 größer als der der Filterspule L2 gemacht wird, in dem Strombereich, der geringer ist als der Stromwert an diesem Schnittpunkt, wobei die Drossel leicht in deren Größe in der Stromversorgungsvorrichtung reduziert werden kann, deren Lastschaltung L die zweite Gleichstromversorgung E2 enthält.
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Ausführungsform 2
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Eine Stromversorgungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 ist gleich zu der gemäß Ausführungsform 1 konfiguriert; der Kern der Filterspule L2 besteht jedoch aus einem Material, das aufgrund einer Variation im Magnetfluss einen großen Verlust aufweist, jedoch eine hohe Magnetflussdichte aufweist, verglichen mit dem Kernmaterial der Drossel L1. Ein Fe-basiertes Material und ein Ferrit-basiertes Material werden für die Kerne der Filterspule L2 bzw. Drossel L1 in dieser Ausführungsform ausgewählt.
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3 zeigt Wellenformen des Stroms, der durch die Drossel L1 und die Filterspule L2 der Stromversorgungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 fließt. Wie in 3 gezeigt, zeigt jede Wellenform einen Gleichstrom mit einem darauf überlagerten Wechselstrom, und die Amplitude des Welligkeitsstroms durch die Drossel L1 ist der größere von den beiden.
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Die Amplitude und der Welligkeitsstrom verursachen eine Variation im Magnetfluss in den Kernen, was folglich zu einem Verlust (Hysterese-Verlust und Wirbelstromverlust) in den Elementen verursacht, die die Spulen ausbilden, insbesondere Kernen, die Pfade für den Magnetfluss sind. Ein Kernverlust, der in der Filterspule L2 verursacht wird, mit der kleineren Amplitude des Welligkeitsstroms, ist daher geringer als der, der in der Drossel L1 verursacht wird.
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4 zeigt darüber hinaus ein gemeinsames Beispiel von Beziehungen zwischen dem Verlust aufgrund einer Magnetflussvariation und der Sättigungs-Magnetflussdichte für unterschiedliche Kernmaterialien. Die Sättigungs-Magnetflussdichte tendiert hier jedoch dazu, geringer zu sein, da der Kernverlust aufgrund der Magnetflussvariation von den Kernmaterialien weniger abhängt. Ein Material mit einer hohen Sättigungs-Magnetflussdichte kann umgekehrt ausgewählt werden, solange der Kernverlust aufgrund der Magnetflussvariation tolerierbar ist. Durch die Auswahl eines Materials mit einer hohen Sättigungs-Magnetflussdichte, kann die Querschnittsfläche eines Kerns reduziert werden, während deren Gleichstrom-Induktivitäts-Kennlinie beibehalten wird, sodass eine Spule in deren Größe reduziert werden kann.
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Wie in 3 gezeigt ist die Amplitude des Welligkeitsstroms, der durch die Filterspule L2 fließt, geringer als jene des Welligkeitsstroms, der durch die Drossel L1 fließt, und der Kernverlust aufgrund der Magnetflussvariation ist tolerierbar. Durch Auswahl des Materials mit einer hohen Sättigungs-Magnetflussdichte (Fe-basiertes Material in dieser Ausführungsform), kann die Kernquerschnittsfläche daher reduziert werden, während die Gleichstrom-Induktivitäts-Kennlinie beibehalten wird, sodass die Spule in deren Größe reduziert werden kann.
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Ausführungsform 3
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Die Konfigurationen einer Stromversorgungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 ist gleich zu der gemäß Ausführungsform 1; es werden jedoch geschlossen-magnetschaltungs-artige Kerne für sowohl die Drossel L1 und die Filterspule L2 verwendet. Der Luftspalt des Kerns, verwendet für die Drossel L1, ist darüber hinaus breiter als der des Kerns, der für die Filterspule L2 verwendet wird.
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5 zeigt die Formen der Kerne und deren Gleichstrom-Induktivitäts-Kennlinien in dieser Ausführungsform. E-geformte geschlossene-magnetschaltungs-artige Kerne werden für sowohl die Drossel L1 als auch die Filterspule L2 verwendet; der Luftspalt des Kerns, der für die Filterspule L2 verwendet wird, ist jedoch breiter, um dessen Magnetwiderstand zu erhöhen, wobei die Filterspule mit einer Kennlinie bereitgestellt ist, in der dessen Induktivitätswert selbst dann sichergestellt ist, wenn ein hoher Strom durch diese fließt, obwohl der Induktivitätswert selbst verringert wird.
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In der Konfiguration gemäß Ausführungsform 3 kann, durch Verwendung der geschlossenen-magnetschaltungs-artigen Kerne, ein Rauschen durch Magnetflussvariation aufgrund von Welligkeitskomponenten des durch die Drossel L1 und Filterspule L2 fließenden Stroms daran gehindert werden, nach außen auszutreten, und darüber hinaus kann die Induktivität der Drossel L1 bei dem hohen Strom ohne eine Vergrößerung deren Größe sichergestellt werden.
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Indem nur der Kern, der für die Filterspule L2 verwendet wird, ein Offen-Magnetschaltungs-Typ in der Konfiguration gemäß 3 ist, kann der diesbezügliche Magnetwiderstand vergrößert werden, sodass die Filterspule L2 in deren Größe reduziert werden kann, während die Induktivität bei dem hohen Strom sichergestellt wird, selbst dann, wenn die Kernquerschnittsfläche reduziert wird. Wenn ein Offen-Magnetschaltungs-Typ-Kern verwendet wird, wird die Rauschgröße erhöht, die nach außen austritt, und aus der Magnetflussvariation aufgrund der Welligkeitskomponenten des durch die Spule fließenden Stroms resultiert; Wellenformen des Stroms, der durch die Drossel L1 und Filterspule L2 fließt, werden jedoch jeweils zu einem Gleichstrom mit einem darauf überlagerten Wechselstrom, gleich wie in 3 gezeigt, wobei die Amplitude des Welligkeitsstroms, der durch die Drosselspule L1 fließt, größer ist als die des Welligkeitsstroms, der durch die Filterspule L2 fließt, und die Rauschgröße, die nach außen austritt, und durch die Magnetflussvariation erfolgt, in einen erlaubten Bereich der praktischen Verwendung fällt, ohne ein Problem zu verursachen.
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Ausführungsform 4
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Stromversorgungsvorrichtungen gemäß den oben stehenden Ausführungsformen sind mit einer synchron-gleichrichtungs-artigen Verringerungs-Chopper-Schaltung konfiguriert. Die Stromversorgungsvorrichtungen sind jedoch nicht darauf beschränkt, können jedoch unter Verwendung von jedem anderen Chopper-Typ konfiguriert sein, wie z.B. ein Dioden-Gleichrichtungstyp, Aufsteigungstyp, und Aufsteigungs- und Verringerungstyp, wodurch der gleiche Effekt erzeugt wird. Die Filterspule L2 ist darüber hinaus zwischen der ersten Gleichstromversorgung E1 und der Chopper-Schaltung CA zwischengeschaltet; der gleiche Effekt kann jedoch erzeugt werden, selbst dann, wenn die Filterspule L2 zwischen der zweiten Gleichstromversorgung E2 und der Chopper-Schaltung CH zwischengeschaltet ist, wie in 6 gezeigt.
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Die Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung können darüber hinaus frei miteinander kombiniert werden, geeignet modifiziert oder weggelassen werden, im Umfang der Erfindung.
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Verschiedene Modifikationen und Änderungen dieser Erfindung sind dem Durchschnittsfachmann ersichtlich, ohne vom Umfang dieser Erfindung abzuweichen, und es wird verstanden, dass diese nicht auf die hier dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2012-75207 [0003]
- JP 2009-118552 [0003]
