-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Leistungsumwandlungsvorrichtung eines kapazitiven Isolationstyps.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Die Patentdruckschrift 1 offenbart eine Leistungsumwandlungsvorrichtung eines Isolationstyps, die eine Leistungsübertragung zwischen einer Primärseitenschaltung und einer Sekundärseitenschaltung unter Verwendung eines Transformators ausführt. In einer Leistungsumwandlungsvorrichtung eines Isolationstyps, wie sie in der Patentdruckschrift 1 offenbart ist, wird Leistung zwischen der Primärseitenschaltung und der Sekundärseitenschaltung über einen Transformator übertragen. Dementsprechend ist es, auch wenn eine Anomalie auftritt, unwahrscheinlich, dass eine Gleichstromleistung zwischen der Primärseitenschaltung und der Sekundärseitenschaltung übertragen wird. Dies verbessert die Sicherheit.
-
ZITIERUNGSLISTE
-
Patentdruckschrift
-
Patentdruckschrift 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr.
2017-55536 -
KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Technisches Problem
-
Wenn ein Transformator in der vorstehend beschriebenen Art und Weise verwendet wird, kann die Größe und das Gewicht des Transformators die Größe und das Gewicht der Leistungsumwandlungsvorrichtung vergrößern.
-
Diesbezüglich kann eine Leistungsumwandlungsvorrichtung eines kapazitiven Isolationstyps eingesetzt werden, die eine Leistung zwischen einer Primärseitenschaltung und einer Sekundärseitenschaltung unter Verwendung eines Kondensators anstelle eines Transformators überträgt. Wenn jedoch Kondensatoren verwendet werden, ist es schwierig, eine Ausgabespannung, die eine Spannung ist, die von der Sekundärseitenschaltung ausgegeben wird, zu steuern.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Leistungsumwandlungsvorrichtung eines kapazitiven Isolationstyps bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Ausgabespannung zu steuern.
-
LÖSUNG DES PROBLEMS
-
In einer allgemeinen Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Leistungsumwandlungsvorrichtung eines kapazitiven Isolationstyps eine Primärseitenschaltung, die ein Schaltelement umfasst, wobei die Primärseitenschaltung derart konfiguriert ist, dass das Schaltelement abwechselnd zwischen einem EIN-Zustand und einem AUS-Zustand bei einer spezifizierten Schaltfrequenz umgeschaltet wird, sodass eine Eingabeleistung in eine AC-Leistung umgewandelt wird, eine erste Verbindungsleitung und einer zweiten Verbindungsleitung, die mit der Primärseitenschaltung verbunden sind, einen ersten Kondensator, der bei der ersten Verbindungsleitung bereitgestellt ist, einen zweiten Kondensator, der bei der zweiten Verbindungsleitung bereitgestellt ist, eine Sekundärseitenschaltung, die mit der Primärseitenschaltung durch die ersten und zweiten Verbindungsleitungen über die ersten und zweiten Kondensatoren verbunden ist, wobei die Sekundärseitenschaltung konfiguriert ist, eine AC-Leistung, die von den ersten und zweiten Verbindungsleitungen eingegeben wird, in eine DC-Leistung umzuwandeln, eine dritte Verbindungsleitung, die näher an der Sekundärseitenschaltung als der erste Kondensator und der zweite Kondensator bereitgestellt ist, wobei die dritte Verbindungsleitung die erste Verbindungsleitung und die zweite Verbindungsleitung miteinander verbindet, eine Anregungsdrossel, die bei der dritten Verbindungsleitung bereitgestellt ist, und eine Steuerungseinheit, die konfiguriert ist, das Schaltelement zu steuern. Die Steuerungseinheit ist konfiguriert, eine Ausgabespannung, die eine Spannung der DC-Leistung ist, die von der Sekundärseitenschaltung ausgegeben wird, zu steuern, indem die Schaltfrequenz, ein Tastgrad des Schaltelements oder eine Phase der AC-Leistung, die durch die Primärseitenschaltung fließt, gesteuert wird.
-
Figurenliste
-
- 1 zeigt ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel einer Leistungsumwandlungsvorrichtung eines kapazitiven Isolationstyps zeigt.
- 2 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einer Schaltfrequenz und einem Umwandlungsverhältnis zeigt.
- 3 zeigt ein Schaltungsdiagramm, das eine Leistungsumwandlungsvorrichtung eines kapazitiven Isolationstyps gemäß einer Modifikation zeigt.
- 4 zeigt ein Schaltungsdiagramm, das eine Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einer anderen Modifikation zeigt.
-
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
-
Eine Leistungsumwandlungsvorrichtung eines kapazitiven Isolationstyps 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel wird nachstehend beschrieben. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung des kapazitiven Isolationstyps 10, die nachstehend beschrieben wird, ist lediglich ein Beispiel, wobei die vorliegende Offenbarung nicht auf die Inhalte der Leistungsumwandlungsvorrichtung des kapazitiven Isolationstyps 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel begrenzt ist.
-
Wie es in 1 gezeigt, ist die Leistungsumwandlungsvorrichtung des kapazitiven Isolationstyps 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweise mit einer Leistungsspeichervorrichtung 101 und einer Last 102 verbunden. Spezifisch umfasst die Leistungsumwandlungsvorrichtung des kapazitiven Isolationstyps 10 Eingangsanschlüsse 11, 12 und Ausgangsanschlüsse 21, 22. Die Eingangsanschlüsse 11, 12 sind mit der Leistungsspeichervorrichtung 101 verbunden, wobei die Ausgangsanschlüsse 21, 22 mit der Last 102 verbunden sind.
-
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung des kapazitiven Isolationstyps 10 ist eine Gleichspannungswandlervorrichtung bzw. DC/DC-Wandlervorrichtung, die eine Gleichstromleistung bzw. DC-Leistung einer Entladungsspannung Vb, die in die Eingangsanschlüsse 11, 12 von der Leistungsspeichervorrichtung 101 eingegeben werden, in eine DC-Leistung einer gewünschten Spannung umwandelt und die DC-Leistung zu der Last 102 über die Ausgangsanschlüsse 21, 22 ausgibt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht die DC-Leistung der Entladungsspannung Vb einer Eingabeleistung.
-
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung des kapazitiven Isolationstyps 10 umfasst eine Primärseitenschaltung 30, eine Sekundärseitenschaltung 40, eine erste Verbindungsleitung LN1, eine zweite Verbindungsleitung LN2, eine dritte Verbindungsleitung LN3 und einen Resonanzkreis 50.
-
Die Primärseitenschaltung 30 umfasst Schaltelemente Q1 bis Q4. Die Primärseitenschaltung 30 wandelt die Eingabeleistung in eine Wechselstromleistung bzw. AC-Leistung durch ein abwechselndes Schalten der Schaltelemente Q1 bis Q4 zwischen einem EIN-Zustand und einem AUS-Zustand bei einer spezifizierten Schaltfrequenz f um.
-
Beispielsweise umfasst die Primärseitenschaltung 30 ein erstes Oberarmschaltelement Q1 und ein erstes Unterarmschaltelement Q2, die miteinander durch eine erste Zwischenleitung 30a in Reihe geschaltet sind, und ein zweites Oberarmschaltelement Q3 und ein zweites Unterarmschaltelement Q4, die miteinander durch eine zweite Zwischenleitung 30b in Reihe geschaltet sind.
-
Die Primärseitenschaltung 30 ist mit den Eingangsanschlüssen 11, 12 verbunden. Spezifisch sind die Oberarmschaltelemente Q1, Q3 mit dem Eingangsanschluss 11 verbunden, wobei die Unterarmschaltelemente Q2, Q4 mit dem zweiten Eingangsanschluss 12 verbunden sind. Die DC-Leistung der Entladungsspannung Vb wird in die Primärseitenschaltung 30 eingegeben.
-
Die Sekundärseitenschaltung 40 wandelt die AC-Leistung, die von den Verbindungsleitungen LN1, LN2 eingegeben wird, in eine DC-Leistung um, anders ausgedrückt richtet sie die AC-Leistung gleich. Die Sekundärseitenschaltung 40 ist mit den Ausgangsanschlüssen 21, 22 verbunden, wobei die DC-Leistung, die durch die Sekundärseitenschaltung 40 umgewandelt wird, von den Ausgangsanschlüssen 21, 22 ausgegeben wird.
-
Die Sekundärseitenschaltung 40 umfasst beispielsweise eine Diodenbrücke. Spezifisch umfasst die Sekundärseitenschaltung 40 eine erste Oberarmdiode D1 und eine erste Unterarmdiode D2, die miteinander in der Vorwärtsrichtung durch eine dritte Zwischenleitung 40a verbunden sind, und eine zweite Oberarmdiode D3 und eine zweite Unterarmdiode D4, die miteinander in der Vorwärtsrichtung durch eine vierte Zwischenleitung 40b verbunden sind. Die Sekundärseitenschaltung 40 umfasst einen Glättungskondensator 41, der die DC-Leistung, die von der Diodenbrücke ausgegeben wird, glättet.
-
Die Verbindungsleitungen LN1, LN2 verbinden die Primärseitenschaltung 30 und die Sekundärseitenschaltung 40 miteinander. Anders ausgedrückt sind die Verbindungsleitungen LN1, LN2 mit der Primärseitenschaltung 30 verbunden, wobei die Sekundärseitenschaltung 40 mit der Primärseitenschaltung 30 durch die Verbindungsleitungen LN1, LN2 verbunden ist. Spezifisch verbindet die erste Verbindungsleitung LN1 die erste Zwischenleitung 30a und die dritte Zwischenleitung 40a miteinander, wobei die zweite Verbindungsleitung LN2 die zweite Zwischenleitung 30b und die vierte Zwischenleitung 40b miteinander verbindet.
-
Die Resonanzkreis 50 umfasst einen ersten Kondensator C1, der bei der ersten Verbindungsleitung LN1 bereitgestellt ist, und einen zweiten Kondensator C2, der bei der zweiten Verbindungsleitung LN2 bereitgestellt ist. Die Primärseitenschaltung 30 und die Sekundärseitenschaltung 40 sind miteinander über die Kondensatoren C1, C2 verbunden.
-
Die Kapazitäten der zwei Kondensatoren C1, C2 sind beispielsweise identisch. Die Kapazitäten der Kondensatoren C1, C2 können jedoch voneinander unterschiedlich sein.
-
Die dritte Verbindungsleitung LN3 ist näher an der Sekundärseitenschaltung als die Kondensatoren C1, C2. Anders ausgedrückt ist die dritte Verbindungsleitung LN3 zwischen den Kondensatoren C1, C2 und der Sekundärseitenschaltung 40 angeordnet. In dieser Spezifikation beziehen sich Ausdrücke, die Positionsbeziehungen angeben, wie beispielsweise „näher an“ oder „zwischen“, eher auf schaltungsbezogene Positionsbeziehungen als auf räumliche Beziehungen. Die dritte Verbindungsleitung LN3 verbindet die Verbindungsleitungen LN1 und LN2 miteinander. Spezifisch sind ein Abschnitt der ersten Verbindungsleitung LN1, die den ersten Kondensator C1 mit der Sekundärseitenschaltung 40 verbindet, und ein Abschnitt der zweiten Verbindungsleitung LN2, die den zweiten Kondensator C2 mit der Sekundärseitenschaltung 40 verbindet, miteinander durch die dritte Verbindungsleitung LN3 verbunden.
-
Der Resonanzkreis 50 des vorliegenden Ausführungsbeispiels umfasst eine Anregungsdrossel bzw. Anregungsinduktivität L3 und eine Resonanzspule bzw. Resonanzinduktivität L2.
-
Die Anregungsdrossel L1 ist bei der dritten Verbindungsleitung LN3 bereitgestellt. Die Anregungsdrossel L1 kann durch eine dedizierte Spule oder durch eine parasitäre Induktivität in der dritten Verbindungsleitung LN3 gebildet werden.
-
Die Induktivität der Anregungsdrossel L1 ist beispielsweise höher als die Induktivität der Resonanzdrossel L2. Zur Veranschaulichung wird der Strom, der durch die Anregungsdrossel L1 in der nachstehenden Beschreibung fließt, auch als ein Anregungsstrom bezeichnet.
-
Die Resonanzdrossel L2 ist beispielsweise bei der ersten Verbindungsleitung LN1 bereitgestellt. Die Resonanzdrossel L2 kann durch eine dedizierte Spule oder durch eine parasitäre Induktivität in der ersten Verbindungsleitung LN1 gebildet werden.
-
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Resonanzdrossel L2 näher an der Primärseitenschaltung 30 als die Anregungsdrossel L1. Anders ausgedrückt ist die Resonanzdrossel L2 zwischen der Anregungsdrossel L1 und der Primärseitenschaltung 30 bereitgestellt. Spezifisch ist die Resonanzdrossel L2 in einem Abschnitt der ersten Verbindungsleitung LN1 zwischen einem Knoten mit dem ersten Kondensator C1 und einem Knoten mit der dritten Verbindungsleitung LN3 bereitgestellt. Somit fließt der Anregungsstrom ebenso durch die Resonanzdrossel L2. Dies erzeugt ebenso eine gegenelektromotorische Kraft in der Resonanzdrossel L2. Das heißt, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel fungieren die Drosseln L1, L2 als Induktivitätskomponenten, die durch Schaltbetriebe der Schaltelemente Q1 bis Q4 angeregt werden.
-
Der Resonanzkreis 50 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Kondensatoren C1, C2 und die Drosseln L1, L2. Die Primärseitenschaltung 30 und die Sekundärseitenschaltung 40 sind miteinander über den Resonanzkreis 50 verbunden.
-
Mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration sind die Primärseitenschaltung 30 und die Sekundärseitenschaltung 40 voneinander durch die Kondensatoren C1, C2 isoliert. Spezifisch blockieren oder begrenzen die Kondensatoren C1 und C2 eine Übertragung einer DC-Leistung zwischen der Primärseitenschaltung 30 und der Sekundärseitenschaltung 40. Demgegenüber gestatten die Kondensatoren C1, C2 eine Übertragung einer AC-Leistung zwischen ihnen.
-
Das heißt, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bezieht sich der kapazitive Isolationstyp auf einen Typ, bei dem die Kondensatoren C1, C2 eine Übertragung einer DC-Leistung zwischen der Primärseitenschaltung 30 und der Sekundärseitenschaltung 40 blockieren, während eine Übertragung einer AC-Leistung zwischen der Primärseitenschaltung 30 und der Sekundärseitenschaltung 40 gestattet ist.
-
Der Resonanzkreis 50 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist zwei Resonanzfrequenzen fm1 und fm2 auf. Die erste Resonanzfrequenz fm1 wird durch die Kapazitäten der Kondensatoren C1, C2 und den Induktivitäten der Drosseln L1, L2 bestimmt. Die zweite Resonanzfrequenz fm2 wird durch die Kapazitäten der Kondensatoren C1, C2 und die Induktivität der Resonanzdrossel L2 bestimmt. Die zweite Resonanzfrequenz fm2 ist höher als die erste Resonanzfrequenz fm 1.
-
Wie es in 1 gezeigt ist, umfasst die Leistungsumwandlungsvorrichtung des kapazitiven Isolationstyps 10 eine Steuerungsschaltung 60, die eine Steuerungseinheit ist, die die Schaltelemente Q1 bis Q4 der Primärseitenschaltung 30 steuert.
-
Die Steuerungsschaltung 60 kann beispielsweise ein Verarbeitungsschaltkreis sein, der einen Speicher und eine zentrale Verarbeitungseinheit umfasst. Der Speicher speichert Programme, die zur Ausführung eines Steuerungsvorgangs zum Steuern der Schaltelemente Q1 bis Q4 verwendet werden, und notwendige Informationen, wobei die zentrale Verarbeitungseinheit Steuerungsvorgänge auf der Grundlage der Programme ausführt.
-
Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht hierauf begrenzt, wobei die Steuerungsschaltung 60 beispielsweise ein Verarbeitungsschaltkreis sein kann, der eine dedizierte Hardwareschaltung umfasst, oder ein Verarbeitungsschaltkreis sein kann, der eine Kombination von einer oder mehreren dedizierten Hardwareschaltungen und einer CPU umfasst, die eine Softwareverarbeitung ausführt. Anders ausgedrückt ist die spezifische Konfiguration der Steuerungsschaltung 60 nicht spezifisch begrenzt. Die Steuerungsschaltung 60 kann ein Verarbeitungsschaltkreis sein, der beispielsweise zumindest einen von einem Satz von einer oder mehreren dedizierten Hardwareschaltungen und einem Satz von einem oder mehreren Prozessoren umfasst, die entsprechend einem Computerprogramm (einer Software) arbeiten.
-
Die Steuerungsschaltung 60 schaltet abwechselnd die Schaltelemente Q1 bis Q4 zwischen einem EIN-Zustand und einem AUS-Zustand entsprechend einem spezifizierten Schaltmuster.
-
Beispielsweise können das erste Oberarmschaltelement Q1 und das zweite Unterarmschaltelement Q4 in dem EIN-Zustand sein, während das erste Unterarmschaltelement Q2 und das zweite Oberarmschaltelement Q3 in dem AUS-Zustand sind. Dieses Schaltmuster wird als ein erstes Muster bezeichnet. Ebenso können das erste Oberarmschaltelement Q1 und das zweite Unterarmschaltelement Q4 in dem AUS-Zustand sein, während das erste Unterarmschaltelement Q2 und das zweite Oberarmschaltelement Q3 in dem EIN-Zustand sind. Dieses Schaltmuster wird als ein zweites Muster bezeichnet. Die Steuerungsschaltung 60 schaltet abwechselnd die Schaltmuster zwischen einem ersten Muster und einem zweiten Muster bei der Schaltfrequenz f um. Dies wandelt die DC-Leistung der Entladungsspannung Vb in eine AC-Leistung um.
-
Die Steuerungsschaltung 60 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel steuert die Schaltfrequenz f, um hierdurch eine Ausgabespannung Vout zu steuern, die die Spannung der DC-Leistungsausgabe von der Sekundärseitenschaltung 40, anders ausgedrückt der Ausgangsanschlüsse 21, 22 ist. Dieser Punkt wird ausführlich nachstehend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. 2 zeigt einen Graphen, der schematisch ein Umwandlungsverhältnis R als eine Funktion der Schaltfrequenz f zeigt. Das Umwandlungsverhältnis R ist ein Verhältnis der Ausgabespannung Vout zu der Entladungsspannung Vb.
-
Wie es in 2 gezeigt ist, variiert das Umwandlungsverhältnis R in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz f bei der Leistungsumwandlungsvorrichtung des kapazitiven Isolationstyps 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Spezifisch wird das Umwandlungsverhältnis R maximiert, wenn die Schaltfrequenz f die erste Resonanzfrequenz fm1 ist. Der maximale Wert des Umwandlungsverhältnisses R ist größer als 1. Wenn die Schaltfrequenz f größer als die erste Resonanzfrequenz fm1 ist und zunimmt, nimmt das Umwandlungsverhältnis R ab. Das Umwandlungsverhältnis R ist 1, wenn das Umschaltverhältnis f die zweite Resonanzfrequenz fm2 ist. Wenn die Schaltfrequenz f höher als die zweite Resonanzfrequenz fm2 ist, ist das Umwandlungsverhältnis R kleiner als 1.
-
Das heißt, wenn die Schaltfrequenz f in einem Bereich der ersten Resonanzfrequenz fm1 bis zu der zweiten Resonanzfrequenz fm2 (fm1 ≤ f ≤ fm2) ist, ist das Umwandlungsverhältnis R größer oder gleich 1, wobei somit die Ausgabespannung Vout größer oder gleich der Entladungsspannung Vb ist. Anders ausgedrückt führt, wenn die Schaltfrequenz f in dem Bereich der ersten Resonanzfrequenz fm1 bis zu der zweiten Resonanzfrequenz fm2 ist, die Leistungsumwandlungsvorrichtung 10 des kapazitiven Isolationstyps einen Hochsetzbetrieb aus.
-
Unter der Bedingung gemäß fm1 ≤ f ≤ fm2 kann jedes der Schaltelemente Q1 bis Q4 ein Umschalten mit der Spannung bei 0V ausführen. Das heißt, unter der Bedingung gemäß fm1 ≤ f ≤ fm2 ist das Einschalten von jedem der Schaltelemente Q1 bis Q4 ein Nullspannungsschalten (zero voltage switching, ZVS). Anders ausgedrückt ist das Schaltverfahren, wenn die Schaltelemente Q1 bis Q4 unter der Bedingung gemäß fm1 ≤ f ≤ fm2 eingeschaltet werden, ein sanftes Schaltverfahren.
-
Unter der Bedingung gemäß fm1 ≤ f ≤ fm2 ist ein Betrieb von jeder der Dioden D1 bis D4 der Sekundärseitenschaltung 40 ein Nullstromschalten (zero current switching, ZCS). Dementsprechend ist es unwahrscheinlich, dass ein Erholungsstrom bzw. Recovery-Strom erzeugt wird, wobei somit eine Diode mit einer niedrigen Vorwärtsspannung verwendet werden kann. Dies verringert den Verlust.
-
Demgegenüber ist, wenn die Schaltfrequenz f größer als die zweite Resonanzfrequenz fm2 ist (f > fm2), das Umwandlungsverhältnis R kleiner als 1, wobei somit die Ausgabespannung Vout niedriger als die Entladungsspannung Vb ist. Das heißt, wenn die Schaltfrequenz f höher als die zweite Resonanzfrequenz fm2 ist, führt die Leistungsumwandlungsvorrichtung des kapazitiven Isolationstyps 10 einen Heruntersetzbetrieb aus.
-
Die Steuerungsschaltung 60 steuert die Schaltfrequenz f beispielsweise auf der Grundlage der Entladungsspannung Vb und der vorstehend beschriebenen Frequenzcharakteristik, sodass eine gewünschte Ausgabespannung Vout ausgegeben wird. Spezifisch leitet die Steuerungsschaltung 60 ein Sollumwandlungsverhältnis R auf der Grundlage der Entladungsspannung Vb und des Sollwerts der Ausgabespannung Vout her, wobei sie jedes der Schaltelemente Q1 bis Q4 bei der Schaltfrequenz f, bei der das Sollumwandlungsverhältnis R erhalten wird, steuert.
-
Beispielsweise steuert, wenn ein Hochsetzbetrieb ausgeführt wird, die Steuerungsschaltung 60 die Schaltfrequenz f innerhalb eines Bereichs der ersten Resonanzfrequenz fm1 bis zu der zweiten Resonanzfrequenz fm2. Wenn ein Heruntersetzbetrieb ausgeführt wird, steuert die Steuerungsschaltung 60 die Schaltfrequenz f, um höher als die zweite Resonanzfrequenz fm2 zu sein.
-
Ein Betrieb des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird nachstehend beschrieben.
-
Die Schaltelemente Q1 bis Q4 werden abwechselnd zwischen einem EIN-Zustand und einem AUS-Zustand bei der Schaltfrequenz f geschaltet, wodurch eine Leistungsumwandlung ausgeführt wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wandelt die Primärseitenschaltung 30 die DC-Leistung der Entladungsspannung Vb in eine AC-Leistung um, wobei die Primärseitenschaltung 30, die Kondensatoren C1, C2 und die Anregungsdrossel L1 eine Spannungsumwandlung ausführen. Dann richtet die Sekundärseitenschaltung 40 die spannungsgewandelte AC-Leistung gleich. In diesem Fall wird die Schaltfrequenz f geändert, sodass das Umwandlungsverhältnis R geändert wird und die Ausgabespannung Vout geändert wird.
-
Das vorliegende Ausführungsbeispiel, das vorstehend beschrieben worden ist, erreicht die nachstehend genannten Vorteile.
-
(1) Die Leistungsumwandlungsvorrichtung des kapazitiven Isolationstyps 10 umfasst die Primärseitenschaltung 30, die erste Verbindungsleitung LN1 und die zweite Verbindungsleitung LN2, die mit der Primärseitenschaltung 30, dem ersten Kondensator C1, dem zweiten Kondensator C2, der dritten Verbindungsleitung LN3, der Anregungsdrossel L1, der Sekundärseitenschaltung 40 und der Steuerungsschaltung 60, die eine Steuerungseinheit ist, verbunden sind.
-
Die Primärseitenschaltung 30 umfasst die Schaltelemente Q1 bis Q4. Die Primärseitenschaltung 30 wandelt die DC-Leistung der Entladungsspannung Vb, die die Eingabeleistung ist, in eine AC-Leistung um, indem die Schaltelemente Q1 bis Q4 zwischen einem EIN-Zustand und einem AUS-Zustand bei der spezifizierten Schaltfrequenz f abwechselnd geschaltet werden. Die Kondensatoren C1, C2 sind jeweils bei den Verbindungsleitungen LN1, LN2 bereitgestellt. Die dritte Verbindungsleitung LN3 ist näher an der Sekundärseitenschaltung 40 als die Kondensatoren C1, C2, wobei sie die erste Verbindungsleitung LN1 und die zweite Verbindungsleitung LN2 miteinander verbindet. Die Anregungsdrossel L1 ist bei der dritten Verbindungsleitung LN3 bereitgestellt. Die Sekundärseitenschaltung 40 ist mit der Primärseitenschaltung 30 durch die Verbindungsleitungen LN1, LN2 über die Kondensatoren C1, C2 verbunden. Die Sekundärseitenschaltung 40 wandelt eine AC-Leistung, die von den Verbindungsleitungen LN1, LN2 eingegeben werden, in eine DC-Leistung um. Die Steuerungsschaltung 60 steuert die Schaltelemente Q1 bis Q4. Die Steuerungsschaltung 60 steuert die Schaltfrequenz f, wodurch die Ausgabespannung Vout gesteuert wird, die die Spannung der DC-Leistung ist, die von der Sekundärseitenschaltung 40 ausgegeben wird.
-
Mit dieser Konfiguration werden die Schaltelemente Q1 bis Q4 abwechselnd zwischen dem EIN-Zustand und dem AUS-Zustand bei der Schaltfrequenz f umgeschaltet, sodass die Leistungsumwandlungsvorrichtung des kapazitiven Isolationstyps 10 eine Leistungsumwandlung ausführt, um eine Eingabeleistung in eine DC-Leistung umzuwandeln.
-
Da die Kondensatoren C1, C2 zwischen der Primärseitenschaltung 30 und der Sekundärseitenschaltung 40 angeordnet sind, sind die Primärseitenschaltung 30 und die Sekundärseitenschaltung 40 voneinander isoliert. Dementsprechend ist es, auch wenn eine Anomalie aufgrund irgendeines Grundes auftritt, möglich, eine Übertragung der DC-Leistung zwischen der Primärseitenschaltung 30 und der Sekundärseitenschaltung 40 zu unterdrücken, wobei es somit möglich ist, die Sicherheit zu verbessern.
-
Insbesondere wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Isolation nicht durch einen Transformator, sondern durch die zwei Kondensatoren C1, C2 erreicht. Im Allgemeinen sind die Kondensatoren C1, C2 leichter, kleiner und weniger teuer als Transformatoren. Als Ergebnis ist es im Vergleich zu der Konfiguration, die einen Transformator verwendet, möglich, eine Gewichtsreduzierung, eine Miniaturisierung und eine Kostenverringerung zu erreichen.
-
In der Leistungsumwandlungsvorrichtung des kapazitiven Isolationstyps 10, der die Kondensatoren C1, C2 und die Anregungsdrossel L1 umfasst, ändert sich das Umwandlungsverhältnis R, das das Verhältnis der Ausgabespannung Vout zu der Entladungsspannung Vb der Eingabeleistung ist, entsprechend der Schaltfrequenz f. Durch ein vorteilhaftes Nutzen dieser Eigenschaft steuert die Steuerungsschaltung 60 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Ausgabespannung Vout, indem die Schaltfrequenz f gesteuert wird. Als Ergebnis ist es möglich, die Ausgabespannung Vout in der Konfiguration, bei der die Kondensatoren C1, C2 für eine Isolation verwendet werden, zu steuern.
-
(2) Die Leistungsumwandlungsvorrichtung des kapazitiven Isolationstyps 10 umfasst die Resonanzdrossel L2, die bei der ersten Verbindungsleitung LN1 oder der zweiten Verbindungsleitung LN2 bereitgestellt ist, und den Resonanzkreis 50, der die Kondensatoren C1, C2 und die Drosseln L1, L2 umfasst. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Resonanzdrossel L2 bei der ersten Verbindungsleitung LN1 bereitgestellt.
-
Da diese Konfiguration jedes der Schaltelemente Q1 bis Q4 durch ein ZVS einschalten kann, wird der Verlust verringert und Stromstöße werden unterdrückt.
-
(3) Die Resonanzdrossel L2 ist näher an der Primärseitenschaltung 30 als die Anregungsdrossel L1.
-
Mit dieser Konfiguration fließt der Anregungsstrom, der der Strom ist, der durch die Anregungsdrossel L1 fließt, ebenso durch die Resonanzdrossel L2. Als Ergebnis fungiert die Resonanzdrossel L2 ebenso als eine Induktivitätskomponente, die durch Schaltbetriebe der Schaltelemente Q1 bis Q4 angeregt wird, sodass die Induktivität der Anregungsdrossel L1 verringert wird. Dies verringert beispielsweise die Größe der Anregungsdrossel L1.
-
(4) Der Resonanzkreis 50 weist zwei Typen von Resonanzfrequenzen fm1 und fm2 auf. Die erste Resonanzfrequenz fm1 beruht auf den Kapazitäten der Kondensatoren C1, C2 und den Induktivitäten der Drosseln L1, L2. Die zweite Resonanzfrequenz fm2 beruht auf den Kapazitäten der Kondensatoren C1, C2 und der Induktivität der Resonanzdrossel L2. Die zweite Resonanzfrequenz fm2 ist höher als die erste Resonanzfrequenz fm1.
-
Mit dieser Konfiguration steuert, wenn ein Hochsetzbetrieb ausgeführt wird, die Steuerungsschaltung 60 die Schaltfrequenz f innerhalb des Bereichs der ersten Resonanzfrequenz fm1 bis zu der zweiten Resonanzfrequenz fm2. Wenn ein Heruntersetzbetrieb ausgeführt wird, steuert die Steuerungsschaltung 60 die Schaltfrequenz f, um höher als die zweite Resonanzfrequenz fm2 zu sein.
-
Diese Konfiguration kann sowohl ein Hochsetzen als auch ein Heruntersetzen durch ein Steuern der Schaltfrequenz f ausführen.
-
Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel kann wie nachstehend beschrieben modifiziert werden. Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel und die nachstehend genannten Modifikationen können kombiniert werden, solange die kombinierten Modifikationen technisch widerspruchsfrei zueinander bleiben.
-
Wie es in 3 gezeigt ist, kann die Resonanzdrossel L2 näher an der Sekundärseitenschaltung 40 sein als die Anregungsdrossel L1. Anders ausgedrückt kann die Resonanzdrossel L2 zwischen der Anregungsdrossel L1 und der Sekundärseitenschaltung 40 bereitgestellt sein. Beispielsweise kann die Resonanzdrossel L2 in einem Abschnitt der ersten Verbindungsleitung LN1 zwischen dem Knoten mit der Sekundärseitenschaltung 40 und dem Knoten mit der dritten Verbindungsleitung LN3 bereitgestellt sein. In diesem Fall ist es, da es möglich ist, zu unterdrücken, dass der Anregungsstrom durch die Resonanzdrossel L2 fließt, möglich, den Verlust, der durch die Resonanzdrossel L2 verursacht wird, zu verringern.
-
Die Resonanzdrossel L2 und der erste Kondensator C1 können in einer umgekehrten Reihenfolge angeordnet sein. Spezifisch kann die Resonanzdrossel L2 näher an der Primärseitenschaltung 30 als der erste Kondensator C1 sein.
-
Die spezifische Schaltungskonfiguration der Primärseitenschaltung 30 kann geändert werden, wenn die Primärseitenschaltung 30 in der Lage ist, eine Eingabeleistung in eine AC-Leistung umzuwandeln.
-
Beispielsweise kann, wie es in 4 gezeigt ist, die Primärseitenschaltung 30 einen in Reihe geschalteten Kondensator Cx, ein Oberarmschaltelement Qx und ein Unterarmschaltelement Qy umfassen, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Die Reihenschaltung des in Reihe geschalteten Kondensators Cx und der Armschaltelemente Qx, Qy ist mit den Eingangsanschlüssen 11 und 12 verbunden.
-
In diesem Fall verbindet die erste Verbindungsleitung LN1 die Sekundärseitenschaltung 40 mit einer Leitung, die den ersten Eingangsanschluss 11 und den in Reihe geschalteten Kondensator Cx miteinander verbindet. Die zweite Verbindungsleitung LN2 verbindet die Sekundärseitenschaltung 40 mit einer Leitung, die die Armschaltelemente Qx und Qy miteinander verbindet.
-
Die spezifische Schaltungskonfiguration des Resonanzkreises 50 ist nicht spezifisch begrenzt. Wie es in 4 gezeigt ist, kann die Leistungsumwandlungsvorrichtung des kapazitiven Isolationstyps 10 eine vierte Verbindungsleitung LN4 zusätzlich zu der dritten Verbindungsleitung LN3 umfassen. Die vierte Verbindungsleitung LN4 ist näher an der Primärseitenschaltung 30 als beispielsweise die Resonanzdrossel L2 und die Kondensatoren C1, C2. Spezifisch sind ein Abschnitt der ersten Verbindungsleitung LN1, die die Primärseitenschaltung 30 mit der Resonanzdrossel L2 verbindet, und ein Abschnitt der zweiten Verbindungsleitung LN2, die die Primärseitenschaltung 30 mit dem zweiten Kondensator C2 verbindet, miteinander durch die vierte Verbindungsleitung LN4 verbunden.
-
Der Resonanzkreis 50 umfasst eine zweite Anregungsdrossel L3, die bei der vierten Verbindungsleitung LN4 bereitgestellt ist, zusätzlich zu der ersten Anregungsdrossel L1, die bei der dritten Verbindungsleitung LN3 bereitgestellt wird. Anders ausgedrückt umfasst der Resonanzkreis 50 gemäß der vorliegenden Modifikation die Kondensatoren C1, C2 und die Drosseln L1, L2, L3.
-
Mit dieser Konfiguration variiert die Ausgabespannung Vout in Abhängigkeit von dem Tastgrad bzw. der relativen Einschaltdauer der Armschaltelemente Qx, Qy. Somit steuert die Steuerungsschaltung 60 den Tastgrad der Armschaltelemente Qx, Qy, um die Ausgabespannung Vout zu steuern. Als Ergebnis ist es möglich, die gewünschte Ausgabespannung Vout zu erhalten, während die Primärseitenschaltung 30 und die Sekundärseitenschaltung 40 voneinander unter Verwendung der Kondensatoren C1, C2 isoliert werden.
-
Die Steuerungsschaltung 60 kann konfiguriert sein, die Ausgabespannung Vout zu steuern, indem die Phase der AC-Leistung, die durch die Primärseitenschaltung 30 fließt, gesteuert wird. Anders ausgedrückt kann die Leistungsumwandlungsvorrichtung des kapazitiven Isolationstyps 10 ebenso ein DC/DC-Wandler eines Phasenverschiebungstyps sein.
-
Im Wesentlichen kann die Leistungsumwandlungsvorrichtung des kapazitiven Isolationstyps 10 konfiguriert sein, die Primärseitenschaltung 30 mit Schaltelementen, die Sekundärseitenschaltung 40, die Verbindungsleitungen LN1, LN2, die Kondensatoren C1, C2 und die Anregungsdrossel L1 zu umfassen, sodass die Ausgabespannung Vout in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz f, dem Tastgrab oder der Phase variiert. Die Steuerungsschaltung 60 kann konfiguriert sein, die Ausgabespannung Vout zu steuern, indem die Schaltfrequenz f, der Tastgrad oder die Phase gesteuert wird.
-
Die spezifische Schaltungskonfiguration der Sekundärseitenschaltung 40 ist nicht spezifisch begrenzt, wenn eine AC-Leistung, die von dem Resonanzkreis 50 eingegeben wird, in eine DC-Leistung umgewandelt werden kann. Beispielsweise kann die Sekundärseitenschaltung 40 Sekundärseitenschaltelemente anstelle von Dioden umfassen, wobei sie konfiguriert sein kann, eine Leistungsumwandlung auszuführen, indem die Sekundärseitenschaltelemente bei der Schaltfrequenz f ein- und ausgeschaltet werden.
-
Die Sekundärseitenschaltung 40 kann die AC-Leistung, die von dem Resonanzkreis 50 eingegeben wird, in eine DC-Leistung umwandeln, während die Spannung der AC-Leistung hochgesetzt oder heruntergesetzt wird. In diesem Fall kann die Ausgabespannung Vout gesteuert werden, indem die Sekundärseitenschaltung 40 zusätzlich zu der Schaltfrequenz f, dem Tastgrad der Schaltelemente Q1 bis Q4 oder der Phase der AC-Leistung, die durch die Primärseitenschaltung 30 fließt, gesteuert wird. Das heißt, die Leistungsumwandlungsvorrichtung des kapazitiven Isolationstyps 10 ist nicht darauf begrenzt, die Ausgabespannung Vout zu steuern, indem lediglich die Primärseitenschaltung 30 verwendet wird.
-
Der Resonanzkreis 50 kann Elemente umfassen, die zu den Kondensatoren C1, C2 und den Drosseln L1, L2 unterschiedlich sind. Im Wesentlichen kann der Resonanzkreis 50 zumindest die Kondensatoren C1, C2 und die Drosseln L1, L2 umfassen.
-
Die Resonanzdrossel L2 kann bei der zweiten Verbindungsleitung LN2 bereitgestellt sein. Die Resonanzdrossel L2 kann bei sowohl der ersten Verbindungsleitung LN1 als auch der zweiten Verbindungsleitung LN2 bereitgestellt sein.
-
Die Resonanzdrossel L2 kann weggelassen werden. Auch in diesem Fall ist die Leistungsumwandlungsvorrichtung des kapazitiven Isolationstyps 10 in der Lage, eine Leistungsumwandlung auszuführen. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass ein sanftes Umschalten erreicht werden kann, wenn die Schaltelemente Q1 bis Q4 eingeschaltet werden, umfasst die Leistungsumwandlungsvorrichtung des kapazitiven Isolationschips 10 vorzugsweise jedoch die Resonanzdrossel L2.
-
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung des kapazitiven Isolationstyps 10 kann zusätzlich eine DC/DC-Umwandlungsschaltung oder eine DC/AC-Umwandlungsschaltung umfassen, die zwischen der Sekundärseitenschaltung 40 und den Ausgangsanschlüssen 21, 22 bereitgestellt ist.
-
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung des kapazitiven Isolationstyps muss nicht notwendigerweise ein DC/DC-Wandler sein. Beispielsweise kann die Leistungsumwandlungsvorrichtung des kapazitiven Isolationstyps 10 ein AC/DC-Wandler sein, der eine AC-Leistung als die Eingabeleistung empfängt und die AC-Leistungen in eine DC-Leistung umwandelt. Anders ausgedrückt ist die Eingabeleistung nicht auf die Leistung der Leistungsspeichervorrichtung 101 begrenzt, wobei sie beispielsweise eine AC-Leistung sein kann. In diesem Fall kann die Leistungsumwandlungsvorrichtung des kapazitiven Isolationstyps 10 eine Gleichrichterschaltung umfassen, die die Eingabeleistung gleichrichtet und die gleichgerichtete Leistung zu der Primärseitenschaltung 30 ausgibt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
