JP2001186764A - 電源コントローラおよびその操作方法 - Google Patents

電源コントローラおよびその操作方法

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JP2001186764A JP2000389666A JP2000389666A JP2001186764A JP 2001186764 A JP2001186764 A JP 2001186764A JP 2000389666 A JP2000389666 A JP 2000389666A JP 2000389666 A JP2000389666 A JP 2000389666A JP 2001186764 A JP2001186764 A JP 2001186764A
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ヒー ジン
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イー．ジャコブス マーク
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 制御可能なスイッチを持つ全ブリッジ周波数
変換装置用のコントローラ、上記コントローラの操作方
法、および上記コントローラまたは方法を使用する電源
を提供すること。 【解決手段】 ある実施形態の場合には、コントローラ
は、位相シフト・モードで、制御可能なスイッチを駆動
するように設計された信号発生器回路（１）と、第一お
よび第二の各脚部の上記制御可能なスイッチが相補的に
スイッチングされ、信号発生器回路が、上記第一および
第二の脚部の間の相対的位相を調整することができる位
相シフト・モード（２ａ）と、上記制御可能なスイッチ
の対角線方向のペアが、ほぼ同時に、ほぼ全使用率でス
イッチングされる通常モード（２ｂ）のどちらか一方の
モードで、信号発生器が変換装置を動作させることがで
きるように信号発生器回路に接続しているスイッチング
ネットワーク（２）を含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、概して、周波数変
換装置に関し、特に電源コントローラおよびその操作方
法に関する。
【０００２】
【従来の技術】＜関連出願および特許への相互参照＞本
出願は、１９９９年９月２２日付の、ヒー他の「位相シ
フト後置レギュレータ、その操作方法およびレギュレー
タを使用する周波数変換装置」という名称の米国特許出
願第０９／４０１，７２８号に関する。上記出願は、本
出願と共通に譲渡され、その全文は、引用によって本明
細書の記載に援用する。
【０００３】電力エレクトロニクスの分野の最終目標
は、依然として、もっと効率的で、もっと低ノイズの周
波数変換装置を開発することである。周波数変換装置
は、通常、入力直流電圧を、上記入力直流電圧より高い
か、または低い種々の他の直流電圧に（分離状態で）変
換しなければならない用途で使用される。その例として
は、システムを作動するために、高電圧がもっと低い電
圧に変換される電気通信システムおよびコンピュータ・
システム等がある。周波数変換装置は、多くの場合、ス
イッチング損失および電源変圧器からの共通モードのノ
イズのような種々の問題を抱えている。スイッチング損
失は、システムの効率を低下させ、その結果、電力を出
力するのにもっと大きな入力電力が必要になる。両方と
も伝導され、放射されるスイッチング・ノイズおよび共
通モード変圧器ノイズの、他の感度の高い電子装置に対
する干渉を防止し、低減するためには濾過を必要とす
る。
【０００４】現在の周波数変換装置の設計は、多くの場
合、二つの全ブリッジ制御戦略、すなわち、従来のハー
ド・スイッチング全幅変調全ブリッジ、または位相シフ
ト全ブリッジの中の一方を実行する。両方の制御戦略
は、四つの制御可能なスイッチ（例えば、電力用金属酸
化物半導体電界効果トランジスタ）を使用する全ブリッ
ジ・インバータ・トポロジー、分離変圧器、出力整流器
および出力フィルタを使用する。どちらかの制御戦略を
使用する全ブリッジ・インバータ・トポロジーは、分離
変圧器の寄生インダクタンスに電流を収容するために、
四つの制御可能なスイッチに逆並列に接続している本体
ダイオード、または別個に付加されたダイオードから恩
恵を得ている。内蔵コントローラは、制御可能なスイッ
チを制御するために使用される。
【０００５】従来の全ブリッジは、通常、下記のように
動作する。制御可能なスイッチは、分離変圧器の一次巻
線の両端部に、入力直流電圧の異なる極性を供給するた
めに、スイッチング周期の一部の間交互にオンになる二
つの対角線方向のペアの形に配置されている。それ故、
制御可能なスイッチは、分離変圧器を作動するために、
入力直流電圧を交流電圧に変換するために動作する。対
角線方向のペアの導通間隔の間に、スイッチング周期の
一部の間、スイッチ制御可能なスイッチはオフになる。
理想的には、そうなった場合には、分離変圧器の一次巻
線の両端部の電圧が強制的にゼロになることが好まし
い。その後で、出力整流器が、分離変圧器からの交流電
圧を整流する。それ故、理想的には、分離変圧器の整流
された電圧は、制御可能なスイッチの対角線方向のペア
のデューティ・レシオに比例する平均値を持つ方形波で
なければならない。
【０００６】出力フィルタは、周波数変換装置の出力の
ところで、ほぼ一定の出力電圧を供給するために整流電
圧を平滑にし、濾過する。コントローラは、入力直流電
圧および付加電流が変動した場合でも、出力電流を一定
のレベルに維持するために出力電圧をモニタし、対角線
方向のペアのデューティ・レシオを調整する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、実際には、整
流された電圧は、完全な方形波ではない。何故なら、制
御可能なスイッチが全部オフになると、分離変圧器の漏
洩インダクタンスと制御可能なスイッチの寄生キャパシ
タンスとの間にリングが発生するからである。このリン
グはエネルギーを消費し、それにより、周波数変換装置
の効率が低減する。上記リングは、また、伝導および放
射電磁干渉のような有意なノイズを発生する。さらに、
通常は、制御可能なスイッチの逆並列ダイオードが収容
する上記変圧器の磁気インダクタンスの電流をリセット
する必要がある。
【０００８】位相シフト全ブリッジは、従来の全ブリッ
ジのある種のスイッチング損失問題、およびスイッチン
グ・ノイズを軽減するために開発されたものである。位
相シフト全ブリッジのパワー・トレーンの構造は、ほぼ
従来の全ブリッジの構造に類似している。しかし、その
利点は、制御可能なスイッチがオンになる前に、制御可
能なスイッチの両端部の電圧をほぼゼロ、または低い電
圧にする、制御可能なスイッチの動作によるものであ
る。位相シフト全ブリッジは、最初に、対角線方向のペ
アの両方の制御可能なスイッチ（例えば、左上の制御可
能なスイッチおよび右下の制御可能なスイッチ）をオン
にすることにより作動する。その後で、位相シフト全ブ
リッジは、制御可能なスイッチの両方をオフにする代わ
りに、ゼロ電圧周期をスタートさせるために、対角線方
向のペアの中の一つの制御可能なスイッチ（例えば、右
下のスイッチ）をオフにすることができる。その後で、
同じ脚部（例えば、右上のスイッチ）からの制御可能な
スイッチをオンにして、一次回路の電流を分離変圧器の
両端部に、ほぼゼロの電圧または低い電圧を持つ二つの
制御可能なスイッチを通して循環させることができる。
【０００９】それ故、二つの制御可能なスイッチは、分
離変圧器の両端部の電圧をほぼゼロに固定することがで
き、それにより、制御可能なスイッチをオフにした場合
の、従来の全ブリッジが起こしていたリング行動をほぼ
排除する。しかし、分離変圧器の一次巻線の両端部を一
方のレールに固定し、その後で、他方のレールに固定す
ることにより、位相シフト全ブリッジは、分離変圧器の
一次から二次への固有キャパシタンスを通る電流を発生
する。コンデンサの電位が、あるレールから他のレール
に交互に充電されるので、共通モード・ノイズが発生す
る。
【００１０】さらに、上の二つの制御可能なスイッチ、
または下の二つの制御可能なスイッチを通って交互に循
環する一次電流は、追加の伝導損失を発生する場合があ
る。一次電流の循環の間隔の間、ブリッジへの入力電
流、および出力フィルタに送られる出力電圧の両方は、
ほぼゼロであり、入力および出力の両方を濾過する必要
がある。
【００１１】全ブリッジ・トポロジーの効率的な用途
は、電磁干渉を少なくするために、スイッチの対角線方
向のペアをほぼ同時にスイッチングして、ほぼ全使用率
で動作している、規制していない全ブリッジを使用する
用途である。全ブリッジの後には、全範囲で規制する後
置レギュレータが位置する。始動状態および過負荷状態
を収容するために、全ブリッジを位相シフト・ブリッジ
として動作させる必要がある場合がある。
【００１２】位相シフト動作を供給するのに役に立つ、
共通に使用する制御集積回路は、通常、多数の厳格な制
限があり、そのため、全ブリッジ・トポロジーと一緒に
使用すると面倒なことになる。制御集積回路は、多くの
場合、全使用率動作を正確に供給することができない。
さらに、また、制御集積回路は、全使用率動作が必要な
場合に、全ブリッジの対角線方向のスイッチをほぼ同時
にスイッチングすることができない。従って、この業界
では、従来技術の制限を克服する電源用のコントローラ
の開発が待望されている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】従来技術の上記問題を解
決するために、本発明は、制御可能なスイッチを持つ全
ブリッジ周波数変換装置用のコントローラ、上記コント
ローラの操作方法、および上記コントローラまたは方法
を使用する電源を提供する。ある実施形態の場合には、
コントローラは、位相シフト・モードで制御可能なスイ
ッチを駆動するように設計された信号発生器回路（１）
と；上記周波数変換装置の、第一および第二の各脚部の
制御可能なスイッチが相補的にスイッチングされ、信号
発生器回路が、第一および第二の脚部の間の相対的位相
を調整することができる位相シフト・モード（２ａ）
と、制御可能なスイッチの対角線方向のペアが、ほぼ同
時に、ほぼ全使用率で切り換えられる通常モード（２
ｂ）の中のいずれかのモードで、信号発生器回路が、周
波数変換装置を動作させることができるように、信号発
生器回路に接続しているスイッチングネットワーク
（２）を含む。
【００１４】ある観点から見た場合、本発明は、信号発
生器回路が、位相シフトモードおよび通常モードでの両
方で、制御可能なスイッチを駆動することができるよう
に、位相シフト・モードで、全ブリッジ周波数変換装置
の制御可能なスイッチを駆動するように設計されている
信号発生器回路の出力をスイッチングする広義のコンセ
プトを導入する。位相シフト動作用に設計された通常入
手できる信号発生器回路は、通常、全ブリッジ周波数変
換装置の対角線方向のペアをほぼ同時に正確にスイッチ
ングすることができない。さらに、通常入手できる信号
発生器回路は、制御可能なスイッチの全使用率スイッチ
ングを正確に行うことができない。それ故、本発明のコ
ントローラは、信号発生器回路が、位相シフト・モード
および通常モードで周波数変換装置を交互に動作させる
ことができるように、信号発生器回路の出力を制御可能
なスイッの中の適当な一つに送る。
【００１５】本発明のある実施形態の場合には、信号発
生器回路は、集積回路に埋設されている。信号発生器回
路は、制御集積回路のモデル３８７５またはモデル３８
７９のような、ニューハンプシャー州メリマック所在の
ユニットロード・インテグレーテッド・サーキット社が
市販している多数の制御集積回路の中の一つを使用する
ことができる。
【００１６】本発明のある実施形態の場合には、信号発
生器回路は、各制御可能なスイッチを駆動するのに使用
することができるパルス幅変調出力を供給することがで
きる。この業界の当業者にとっては、パルス幅変調技術
に周知のものである。
【００１７】本発明のある実施形態の場合には、スイッ
チング・ネットワークは、少なくとも一つの二方向スイ
ッチを含む。下記のある実施形態の場合には、都合のよ
いことに、スイッチング・ネットワークは、四つの二方
向スイッチを含む。二方向スイッチは、電界効果トラン
ジスタのような一方向スイッチを二つ背中合わせに接続
することにより実行することができる。もちろん、他の
タイプの二方向スイッチも本発明の広い範囲に含まれ
る。
【００１８】本発明のある実施形態の場合には、スイッ
チング・ネットワークは、信号発生器回路が、周波数変
換装置を通常モードで動作させることができるように、
信号発生器回路の少なくとも一つの出力を制御可能なス
イッチの中のスイッチ二つに送る。それ故、信号発生器
回路は、複数の制御可能なスイッチをほぼ同時に駆動す
ることができる。
【００１９】本発明のある実施形態の場合には、周波数
変換装置は、始動中、位相シフト・モードで動作する。
その後で、周波数変換装置は、共通モード・ノイズを低
減するために、始動後は、通常モードに移行する。
【００２０】本発明のある実施形態の場合には、周波数
変換装置は、例えば、過負荷状態のような故障状態中、
位相シフト・モードで動作する。低いインピーダンスの
ような故障状態が、出力の両端部に偶然発生する場合が
ある。このような状況の下では、全ブリッジ周波数変換
装置は、故障の修理が行われるまで、位相シフト・モー
ドで一時的に動作することができる。もちろん、周波数
変換装置は、また、そうしたい場合には、他の時期、位
相シフト・モードで動作することができる。
【００２１】本発明のある実施形態の場合には、コント
ローラは、さらに、信号発生器回路と、制御可能なスイ
ッチの中の一つとの間に接続している少なくとも一つの
ゲート駆動変圧器を含む。関連する実施形態の場合に
は、各ゲート駆動変圧器は、制御可能なスイッチの中の
二つを駆動することができる。以下に説明するある実施
形態の場合には、コントローラは、それぞれが、全ブリ
ッジ周波数変換装置の一方の脚部を駆動することができ
る二つのゲート駆動変圧器を使用する。
【００２２】今まで本発明の好適なおよび種々の機能に
ついて、どちらかといえば広義に概略説明してきたの
で、関連業界の当業者であれば、下記の詳細な説明をよ
りよく理解することができるだろう。本発明の特許請求
の範囲の主題を構成する、本発明の他の機能については
以下に説明する。関連業界の当業者であれば、本発明と
同じ目的を実行するために、他の構造体を設計、または
修正するための元になるものとして、開示のコンセプト
および特定の実施形態を容易に使用することができるこ
とを理解されたい。また、関連業界の当業者であれば、
上記のような同等の構造体は、広義の本発明の精神およ
び範囲に含まれることも理解されたい。
【００２３】
【発明の実施の形態】本発明をよりよく理解してもらう
ために、添付の図面を参照しながら本発明を以下に説明
する。
【００２４】最初に、図１について説明すると、この図
は、本発明の原理によるコントローラ１００のある実施
形態の略図である。コントローラ１００は、周波数変換
装置の一次巻線１７０の両端部に接続している第一、第
二、第三および第四の制御可能なスイッチＱA、ＱB、Ｑ
C、ＱDを備える全ブリッジ周波数変換装置（インバー
タ）１１０と一緒に使用することができる。
【００２５】例示としての実施形態の場合には、コント
ローラ１００は、周波数変換装置１１０の出力に接続し
ている信号発生器回路１２０を含む。信号発生器回路１
２０は、周波数変換装置１１０の出力特性（例えば、出
力電圧、または出力電圧の組合せおよび出力電流を表わ
す信号）を表わす出力信号Ｖｏｕｔ、および基準特性
（例えば、出力のところで必要な電圧）を表わす基準信
号Ｖｒｅｆを受信する。信号発生器回路１２０は、出力
信号Ｖｏｕｔを基準信号Ｖｒｅｆと比較し、そこから、
位相シフト・モードで、周波数変換装置１１０の第一、
第二、第三および第四の制御可能なスイッチＱA、ＱB、
ＱC、ＱDをそれぞれ駆動するように設計された第一、第
二、第三および第四のパルス幅変調出力信号を、第一、
第二、第三および第四の信号発生器回路の出力Ａ、Ｂ、
Ｃ、Ｄのところに発生する。信号発生器回路１２０は、
ニューハンプシャー州メリマック所在のユニットロード
・インテグレーテッド・サーキット社が製造しているモ
デル３８７５またはモデル３８７９のような共通使用制
御集積回路を使用することができる。もちろん、異なる
構成部材を使用するものを含む他の信号発生器回路も本
発明の広義の範囲内に含まれる。
【００２６】信号発生器回路１２０は、位相シフト・モ
ードで、第一、第二、第三および第四の制御可能なスイ
ッチＱA、ＱB、ＱC、ＱDを駆動し、一方、信号発生器回
路１２０は、二つの厳格な制限を持つ。第一に、信号発
生器回路１２０は、ほぼ全使用率動作を正確に供給でき
ないことが頻繁に起こる。第二に、信号発生器回路１２
０が、第一、第二、第三および第四の制御可能なスイッ
チＱA、ＱB、ＱC、ＱDの、対角線方向のペアのスイッチ
ングをほぼ同時に行うことができない場合が頻繁に起こ
る。
【００２７】しかし、周波数変換装置１１０は、通常モ
ードで、動作することができるための利点、すなわち、
ほぼ全使用率でほぼ同時に駆動されるその制御可能なス
イッチの対角線方向のペアを持つという利点がある。関
連業界の当業者であれば、共通モードでの低ノイズ、改
善された効率、小型の構成部材、出力電圧の低いリップ
ル、および入力電流の低いリップルを含む通常モードで
の動作の利点に気が付くはずである。
【００２８】信号発生器回路１２０は、通常モードで、
全ブリッジ周波数変換装置１１０を動作させることがで
きないので、本発明のコントローラ１００は、都合のよ
いことに、信号発生器回路１２０を、位相シフト・モー
ドおよび通常モードの中のどちらかで、全ブリッジ周波
数変換装置１１０を動作させるようにすることができる
信号発生器回路１２０に接続しているスイッチング・ネ
ットワーク１３０を含む。
【００２９】例示としての実施形態の場合には、コント
ローラ１００は、さらに、第一および第二のゲート駆動
変圧器１４０、１５０を含む。第一のゲート駆動変圧器
１４０は、第一の信号発生器回路の出力Ａに接続してい
る第一の一次ターミナル１４２、および第二の信号発生
器回路の出力Ｂに接続している第二の一次ターミナル１
４４を含む一次巻線を持つ。第一のゲート駆動変圧器１
４０は、さらに、第一および第二の二次巻線１４６、１
４８を持つ。第一の二次巻線１４６は、第一の制御可能
なスイッチＱAの、制御ターミナル（例えば、ゲート）
に接続している第一の二次ターミナル１４７を持つ。第
二の二次巻線１４８は、第二の制御可能なスイッチＱB
の制御ターミナルに接続している第二の二次ターミナル
１４９を持つ。例示としての実施形態の場合には、第一
および第二の二次ターミナル１４７、１４９は、相補モ
ードで、第一および第二の制御可能なスイッチＱA、ＱB
を駆動することができるように反対の極性を持つ。それ
故、第一のゲート駆動変圧器１４０は、第一および第二
の制御可能なスイッチＱA、ＱBに駆動信号を供給するこ
とができる。
【００３０】第二のゲート駆動変圧器１５０は、第三の
信号発生器回路の出力Ｃに接続している第一の一次ター
ミナル１５２、および第四の信号発生器回路の出力Ｄに
接続している第二の一次ターミナル１５４を含む一次巻
線を持つ。第二のゲート駆動変圧器１５０は、さらに、
第一および第二に二次巻線１５６、１５８を持つ。第一
の二次巻線１５６は、第一の制御可能なスイッチＱCの
制御ターミナルに接続している第一の二次ターミナル１
５７を持つ。第二の二次巻線１５８は、第四の制御可能
なスイッチＱDの制御ターミナルに接続している第二の
二次ターミナル１５９を持つ。例示としての実施形態の
場合には、第一および第二の二次ターミナル１５７、１
５９は反対の極性を持つ。それ故、第二のゲート駆動変
圧器１５０は、第三および第四の制御可能なスイッチＱ
C、ＱDに駆動信号を供給することができる。関連業界の
当業者にとっては、ゲート駆動変圧器は周知のものであ
る。ゲート駆動変圧器についてのより詳細な情報につい
ては、１９９６年１月２日付の、「分離金属酸化物電界
効果トランジスタ・ゲート駆動回路に対して、マイナス
のバイアスを発生するための装置および方法」という名
称の、米国特許第５，４８１，２１９号を参照された
い。上記米国特許は、引用によって本明細書の記載に援
用する。
【００３１】例示としての実施形態の場合には、スイッ
チング・ネットワーク１３０は、第一、第二、第三およ
び第四の二方向スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を含
む。一方、例示としての実施形態では、二方向スイッチ
が使用されているが、関連業界の当業者であれば、二つ
の一方向スイッチを背中合わせに接続することも含め
て、任意の方法で実行することができることを理解する
ことができるだろう。第一の二方向スイッチＱ１は、第
一および第四の信号発生器回路の出力Ａ、Ｄの間に接続
している。第二の二方向スイッチＱ２は、第二および第
三の信号発生器回路の出力Ｂ、Ｃの間に接続している。
第三の二方向スイッチＱ３は、第四の信号発生器回路の
出力Ｄと、第二のゲート駆動変圧器１５０の第一の一次
ターミナル１５２の間に直列に接続している。第四の二
方向スイッチＱ４は、第三の信号発生器回路の出力Ｃと
第二のゲート駆動変圧器１５０の第二の一次ターミナル
１５４の間に直列に接続している。
【００３２】例示としての実施形態の場合には、第一お
よび第二の二方向スイッチＱ１、Ｑ２は、論理制御信号
Ｑにより制御される。第三および第四の二方向スイッチ
Ｑ３、Ｑ４は、反転論理制御信号Ｑ’により制御され
る。論理制御信号Ｑがオフになった場合には、反転論理
制御信号Ｑ’はオンになり、逆の場合には反対になる。
論理制御信号Ｑおよび反転論理制御信号Ｑ’は、例え
ば、周波数変換装置１１０の動作モードを判断するため
に、出力信号Ｖｏｕｔを基準信号Ｖｒｅｆと比較する、
コンパレータにより供給することができる。例示として
の実施形態の場合には、スイッチング・ネットワーク１
３０は、信号発生器回路１２０が、論理制御信号Ｑが高
レベルの場合に、通常モードで、周波数変換装置１１０
を動作させることができるようにスイッチングする。別
の方法としては、論理制御信号Ｑが低レベルの場合に、
スイッチング・ネットワーク１３０は、周波数変換装置
１１０を位相シフト・モードで動作させることができる
ようにスイッチングする。
【００３３】コントローラ１００は、下記のように動作
する。論理制御信号Ｑが高レベルである場合には、動作
が通常モードで行われていることを示し、その場合に
は、第一および第二の二方向スイッチＱ１、Ｑ２はオン
になり、第一および第二のゲート駆動変圧器１４０、１
５０の両方を、第一および第二の信号発生器回路の出力
Ａ、Ｂに接続する。第三および第四の二方向スイッチＱ
３、Ｑ４はオフになり、第三および第四の信号発生器回
路の出力Ｃ、Ｄを第二ゲート駆動変圧器１５０から切り
離す。それ故、信号発生器回路１２０は、第一のパルス
幅変調出力信号を、全ブリッジ周波数変換装置１１０の
制御可能なスイッチの第一の対角線ペアを形成している
第一および第四制御可能なスイッチＱA、ＱDに供給す
る。信号発生器回路１２０は、同様に、第二のパルス幅
変調出力信号を、全ブリッジ周波数変換装置１１０の制
御可能なスイッチの第二の対角線ペアを形成している第
二および第三の制御可能なスイッチＱB、ＱCに供給す
る。ほぼ同じパルス幅変調出力信号が、第一および第二
の対角線方向のペアに供給されるので、第一および第二
の対角線方向のペアは、ほぼ同時にスイッチングされ
る。信号発生器回路１２０は、全ブリッジ周波数変換装
置１１０の共通モード・ノイズを最低限度まで低減する
ことができるように、ほぼ全使用率でスイッチングを行
うことができる。
【００３４】論理制御信号Ｑが低レベルである場合に
は、動作が位相シフト・モードで行われていることを示
し、その場合には、第一および第二の二方向スイッチＱ
１、Ｑ２はオフになる。第三および第四の二方向スイッ
チＱ３、Ｑ４がオンになり、第三および第四信号発生器
回路の出力Ｃ、Ｄを第二のゲート駆動変圧器１５０に接
続する。第一および第二ノイズ信号発生器回路の出力
Ａ、Ｂは、第一のゲート駆動変圧器１４０に接続する。
それ故、第一、第二、第三および第四の信号発生器回路
の出力は、それぞれ、第一、第二、第三および第四のパ
ルス幅変調出力信号を第一、第二、第三および第四の制
御可能なスイッチＱA、ＱB、ＱC、ＱDに供給する。
【００３５】それ故、スイチング・ネットワーク１３０
は、信号発生器回路１２０に、全ブリッジ周波数変換装
置１１０の第一および第二の脚部の制御可能なスイッチ
を相補的にスイッチングさせることができる。例示とし
ての実施形態の場合には、全ブリッジ周波数変換装置１
１０の第一の脚部は、第一および第二の制御可能なスイ
ッチＱA、ＱBを含む。全ブリッジ周波数変換装置１１０
の第二の脚部は、第三のおよび第四の制御可能なスイッ
チＱC、ＱDを含む。それ故、全ブリッジ周波数変換装置
１１０は、位相シフト・モードで動作することができ
る。この場合、全ブリッジ周波数変換装置１１０の第一
および第二の脚部の間の相対的位相シフトは、その出力
電圧を制御するために調整される。
【００３６】図２について説明すると、この図は、本発
明の原理によるコントローラ２２０を使用する電源２０
０の一実施形態の略図である。電源２００は、電源２０
０の入力に接続している全ブリッジ・インバータ２１０
を含む。電源２００は、さらに、インバータ２１０に接
続している一次巻線Ｔ１ｐを持つ分離変圧器Ｔ１を含
む。電源２００は、さらに、分離変圧器Ｔ１が供給する
周期的波形を整流する分離変圧器Ｔ１の二次巻線Ｔ１ｓ
に接続している出力整流器２７０を含む。電源２００
は、さらに、出力整流器２７０に接続している出力フィ
ルタ２７５を含む。出力フィルタ２７５は、出力電圧Ｖ
ｏｕｔを電源２００の出力のところの負荷２９０に供給
するために、出力整流器２７０からの整流した波形を濾
過する。電源２００は、さらに、電源２００の出力に接
続している後置レギュレータ・インバータ２８０、およ
び電源２００の出力電圧Ｖｏｕｔを規制する出力整流器
２７０を含む。コントローラ２２０は、出力電圧Ｖｏｕ
ｔをモニタし、インバータ２１０、および出力電圧Ｖｏ
ｕｔを、ほぼ一定のレベルに維持するための後置レギュ
レータ・インバータ２８０を駆動する。
【００３７】例示としての実施形態の場合には、インバ
ータ２１０は、全ブリッジの形に配置されている第一、
第二、第三および第四の制御可能なスイッチＱA、ＱB、
ＱC、ＱDを含む。分離変圧器Ｔ１の一次巻線Ｔ１ｐは、
インバータ２１０の（第一および第二の制御可能なスイ
ッチＱA、ＱBの間の）第一のノード２１２と、（第三お
よび第四の制御可能なスイッチＱC、ＱDの間の）第二の
ノード２１４の間に接続している。
【００３８】出力整流器２７０は、全波整流器の形に配
置された第一および第二の整流ダイオードＤ１、Ｄ２を
含む。第一および第二の整流器ダイオードＤ１、Ｄ２
は、分離変圧器Ｔ１の二次巻線Ｔ１ｓに接続していて、
そこから周期的波形を受信する。出力整流器２７０は、
出力フィルタ２７５に整流波形を供給するために、周期
的波形を整流する。関連業界の当業者であれば、全波整
流器は周知であり、同期整流器を使用するものを含め
て、他の整流器構成も本発明の広義の範囲に含まれるこ
とを理解することができるだろう。
【００３９】出力フィルタ２７５は、出力コンデンサＣ
ｏｕｔに接続している出力インダクタＬｏｕｔを含む。
出力フィルタ２７５は、出力整流器２７０から整流波形
を受信し、出力電圧Ｖｏｕｔを、ほぼ一定のレベルに維
持するために整流波形を平滑にし、濾過する。関連業界
の当業者にとっては、出力フィルタは周知のものであ
る。もちろん、他のフィルタ構成も本発明の広義の範囲
に含まれる。
【００４０】後置レギュレータ・インバータ２８０は、
スイッチング回路２８２、およびレギュレータ変圧器Ｔ
２を含む。例示としての実施形態の場合には、スイッチ
ング回路２８２は、電源２００の出力に接続している第
五および第六の制御可能なスイッチＱE、ＱFを含む。ス
イッチング回路２８２は、さらに、第五および第六の制
御可能なスイッチＱE、ＱFの両端部に接続している第一
および第二のコンデンサＣ１、Ｃ２を含む。上記のスイ
ッチング回路２８２は、半ブリッジ構成を持っている
が、関連業界の当業者であれば、他のスイッチング構成
も本発明の広義の範囲に含まれることを理解することが
できるだろう。
【００４１】例示としての実施形態の場合には、レギュ
レータ変圧器Ｔ２は、スイッチング回路２８２の、（第
五および第六の制御可能なスイッチＱE、ＱFの間の）第
三のノード２８４と（第一および第二のコンデンサＣ
１、Ｃ２の間の）第四のノード２８６の間に接続してい
る一次巻線Ｔ２ｐを持つ。レギュレータ変圧器Ｔ２は、
さらに、分離変圧器Ｔ１の二次巻線Ｔ１ｓと第一および
第二の整流ダイオードＤ１、Ｄ２との間に、それぞれ直
列に接続している第一および第二の二次巻線Ｔ２ｓ１、
Ｔ２ｓ２を持つ。スイッチング回路２８２は、電源２０
０から出力電圧Ｖｏｕｔを受信し、それから位相シフト
波形を形成する。その後で、レギュレータ変圧器Ｔ２
は、電源２００を規制するために、位相シフト波形を出
力レギュレータ２７０に送る。例示としての実施形態の
場合には、第一および第二の整流ダイオードＤ１、Ｄ２
は、分離変圧器Ｔ１の二次巻線Ｔ１ｓおよびレギュレー
タ変圧器Ｔ２の第一および第二の各二次巻線Ｔ２ｓ１、
Ｔ２ｓ２の両方から受信した電力を処理する。
【００４２】例示としての実施形態の場合には、後置レ
ギュレータ・インバータ２８０は、都合のよいことに、
電源２００の出力から電力を受信し、そのため、共通モ
ード電流が、電源２００の入力および出力の間を流れる
ための追加の通路が必要なくなる。さらに、すなわち、
例示としての実施形態の場合のように、スイッチング回
路２８２を使用することにより、インバータ２１０とは
別に、本発明の後置レギュレータ・インバータ２８０
は、（インバータ２１０に関連するその動作の位相を調
整することによって）電圧の加算および減算の両方を行
うことができ、その結果、通常、後置レギュレータ・イ
ンバータ２８０の電力定格要件が緩和される。さらに、
インバータ２１０および後置レギュレータ・インバータ
２８０のために、独立の制御可能なスイッチを使用する
ことにより、電源２００への入力リップル電流を、特
に、公称動作条件以下に低減することができる。
【００４３】例示としての実施形態の場合には、コント
ローラ２２０は、電源電圧Ｖｏｕｔを受信し、そこから
概算出力信号Ｖｓｏｕｔ１を形成する電源２００の出力
に接続している第一の電圧概算回路２２２を含む。コン
トローラ２２０は、さらに、第一の電圧概算回路２２２
に接続している信号発生器回路２２６を含む。例示とし
ての実施形態の場合には、信号発生器回路２２６は、概
算出力信号Ｖｓｏｕｔ１および基準信号Ｖｒｅｆ１を受
信し、そこから、それぞれ、インバータ２１０の第一、
第二、第三および第四の制御可能なスイッチＱA、ＱB、
ＱC、ＱDを駆動するように設計されている第一、第二、
第三および第四の信号発生器回路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのとこ
ろで、第一、第二、第三および第四のパルス幅変調出力
信号を発生するパルス幅変調回路である。信号発生器回
路は、関連業界の当業者にとっては周知のものである。
例えば、ニューハンプシャー州メリマック所在のユニッ
トロード・インテグレーテッド・サーキット社が製造し
ている制御集積回路モデル３８７５を参照されたい。
【００４４】コントローラ２２０は、さらに、信号発生
器回路２２６に接続しているスイッチング・ネットワー
ク２２８を含む。コントローラ２２０は、さらに、第
一、第二、第三のゲート駆動変圧器２３０、２４０、２
５０を含む。例示としての実施形態の場合には、第一の
ゲート駆動変圧器２３０は、インバータ２１０の第一お
よび第二の制御可能なスイッチＱA、ＱBに接続してい
る。第二のゲート駆動変圧器２４０は、インバータ２１
０の第二および第三の制御可能なスイッチＱC、ＱDに接
続している。第三のゲート駆動変圧器２５０は、後置レ
ギュレータ・インバータ２８０の第五および第六の制御
可能なスイッチＱE、ＱFに接続している。
【００４５】例示としての実施形態の場合には、スイッ
チング・ネットワーク２２８は、第一、第二、第三およ
び第四の二方向スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を含
む。第一の二方向スイッチＱ１は、第一および第四の信
号発生器回路Ａ、Ｄの間に接続している。第二の二方向
スイッチＱ２は、第二および第三の信号発生器回路Ｂ、
Ｃの間に接続している。第三の二方向スイッチＱ３は、
第四の信号発生器回路出力Ｄと第二のゲート駆動変圧器
２４０の第一の一次ターミナル２４２との間に接続して
いる。第四の二方向スイッチＱ４は、第三の信号発生器
回路出力Ｃと第二のゲート駆動変圧器２４０の第二の一
次ターミナル２４４との間に接続している。
【００４６】例示としての実施形態の場合には、第一お
よび第二の二方向スイッチＱ１、Ｑ２は、論理制御信号
Ｑにより制御される。第三および第四の二方向スイッチ
Ｑ３、Ｑ４は、反転論理制御信号Ｑ’により制御され
る。例示としての実施形態の場合には、コントローラ２
２０は、電源２００の出力に接続している第二の電圧概
算回路２２３を含む。第二の電圧概算回路２２３は、電
源２００の出力に接続している。第二の電圧概算回路２
２３は、出力電圧Ｖｏｕｔを受信し、そこから、第二の
概算出力信号Ｖｓｏｕｔ２を発生する。コントローラ２
２０は、さらに、第一の電圧概算回路２２２に接続して
いるコンパレータ回路２２４を含む。コンパレータ回路
２２４は、第二の概算出力信号Ｖｓｏｕｔ２および基準
信号Ｖｒｅｆ２を受信し、そこから、論理制御信号Ｑを
発生する。コントローラ２２０は、さらに、論理制御信
号Ｑを受信して、そこから倒置論理制御信号Ｑ’を発生
するインバータ２２５を含む。
【００４７】例示としての実施形態の場合には、スイッ
チング・ネットワーク２２８は、信号発生器回路２２６
が、論理制御信号Ｑが高レベルの場合に、通常モード
で、インバータ２１０を動作させることができるように
スイッチングする。別の方法としては、論理制御信号Ｑ
が低レベルの場合に、スイッチング・ネットワーク２２
８は、信号発生器回路２１０が、位相シフト・モード
で、インバータ２１０を動作させることができるように
スイッチングする。
【００４８】図３Ａおよび図３Ｂについて説明すると、
この図は、本発明のコントローラで使用することができ
る二方向スイッチの実施形態である。より詳細に説明す
ると、図３Ａは、整流器３３０に接続している一方向ス
イッチ３２０と一緒に実行した第一の二方向スイッチ３
１０である。整流器３３０のダイオードの配置により、
二方向スイッチ３１０は、両方の方向に電流を流した
り、阻止したりすることができる。図３Ｂは、第一およ
び第二の一方向スイッチ３６０、３７０と一体に形成さ
れている第一および第二のダイオード３６５、３７５
が、反対の方向を向くように、第一および第二の一方向
スイッチ３６０、３７０を接続することにより実行した
第二の二方向スイッチ３５０である。もちろん、二方向
スイッチを他の方法で実行することもでき、それらは本
発明の広義の範囲内に含まれる。
【００４９】関連業界の当業者であれば、電源およびコ
ントローラの上記実施形態は、単に例示としてのもので
あって、信号発生器回路が、位相シフト・モードおよび
通常モードの両方で、制御可能なスイッチを駆動できる
ように信号発生器回路の出力をスイッチングすることが
できる他の実施形態も本発明の広義の範囲内に含まれる
ことを理解されたい。さらに、特定の電子構成部材を参
照しながら、本発明の例示としての実施形態を示す。し
かし、関連業界の当業者であれば、必要な状態を形成
し、または必要な結果を得るために、（必ずしも同じタ
イプの構成部材を使用しなくても）、上記構成部材を置
き換えることができることに気が付くだろう。例えば、
一つの構成部材に代わりに、複数の構成部材を使用する
こともできるし、その逆を行うこともできる。また、本
発明のコンセプトを他の回路構成と一緒に使用すること
もできる。
【００５０】電源および全ブリッジ周波数変換装置を含
む電力エレクトロニクスをよりよく理解するためには、
引用によって本明細書の記載に援用する、（１９８９
年）ジョン・ワイリー・アンド・サン出版発行の、Ｎ．
モハン、Ｔ．Ｍ．アンダーランド、およびＷ．Ｐ．ロビ
ンズ著の、「電力エレクトロニクス：コンバータ、用途
および設計」、および０３０５４ニューハンプシャー州
メリマック、コンチネンタル通り７の、（１１９５〜１
９９６年）ユニットロード社発行のユニットロード製品
と用途ハンドブックの６−３４８〜６−３６１ページを
参照されたい。
【００５１】本発明を詳細に説明してきたが、関連業界
の当業者であれば、その広義の意味において、本発明の
精神および範囲から逸脱することなしに、本発明を種々
に変更し、置換し、修正することができることを理解さ
れたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理によるコントローラのある実施形
態の略図である。
【図２】本発明の原理によるコントローラを使用する電
源のある実施形態の略図である。
【図３Ａ】本発明のコントローラで使用することができ
る二方向スイッチの実施形態である。
【図３Ｂ】本発明のコントローラで使用することができ
る二方向スイッチの実施形態である。

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 制御可能なスイッチを有する全ブリッジ
    周波数変換装置と一緒に使用するためのコントローラで
    あって、 位相シフト・モードで、制御可能なスイッチを駆動する
    ように設計された信号発生器回路と、 以下のモード：前記周波数変換装置の第一および第二の
    各脚部の制御可能なスイッチが、相補的にスイッチング
    し、前記信号発生器回路が、前記第一および第二の脚部
    の間の相対的位相を調整することができる位相シフト・
    モードと、前記制御可能なスイッチの対角線方向のペア
    が、ほぼ同時に、ほぼ全使用率で切り換えられる通常モ
    ード、 の中のどちらか一方のモードで、前記信号発生器回路が
    前記周波数変換装置を動作させることができるように前
    記信号発生器回路に接続しているスイッチングネットワ
    ークとを備えるコントローラ。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のコントローラにおい
    て、前記信号発生器回路が、集積回路に埋設されている
    コントローラ。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載のコントローラにおい
    て、前記信号発生器回路が、前記各制御可能なスイッチ
    を駆動するために使用することができるパルス幅変調出
    力を供給することができるコントローラ。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載のコントローラにおい
    て、前記スイッチング・ネットワークが少なくとも一つ
    の二方向スイッチを備えるコントローラ。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載のコントローラにおい
    て、前記スイッチング・ネットワークが、前記信号発生
    器回路が前記通常モードで前記周波数変換装置を作動す
    ることができるように、前記信号発生器回路の少なくと
    も一つの出力を前記制御可能なスイッチの中の少なくと
    も二つに供給するコントローラ。
  6. 【請求項６】 請求項１に記載のコントローラにおい
    て、前記周波数変換装置が、始動中、前記位相シフト・
    モードで動作するコントローラ。
  7. 【請求項７】 請求項１に記載のコントローラにおい
    て、前記周波数変換装置が、故障中、前記位相シフト・
    モードで動作するコントローラ。
  8. 【請求項８】 請求項１に記載のコントローラにおい
    て、さらに、前記信号発生器回路と、前記制御可能なス
    イッチの中の一つとの間に接続している、少なくとも一
    つのゲート駆動変圧器を備えるコントローラ。
  9. 【請求項９】 制御可能なスイッチを有する全ブリッジ
    周波数変換装置と一緒に使用するための前記制御可能な
    スイッチを制御するための方法であって、 位相シフト・モードで前記制御可能なスイッチを駆動す
    るように設計された信号発生器回路を使用するステップ
    と、 以下のモード：前記周波数変換装置の第一および第二の
    各脚部の前記制御可能なスイッチが相補的にスイッチン
    グし、前記信号発生器回路が、前記第一および第二の脚
    部の間の相対的位相を調整することができる位相シフト
    ・モードと、 前記制御可能なスイッチの対角線方向のペアが、ほぼ同
    時に、ほぼ全使用率で切り換えられる通常モード、 の中のどちらか一方のモードで、前記信号発生器回路が
    前記周波数変換装置を動作させることができるステップ
    とを含む方法。
  10. 【請求項１０】 請求項９に記載の方法において、前記
    信号発生器回路が、集積回路に埋設されている方法。
  11. 【請求項１１】 請求項９に記載の方法において、前記
    信号発生器回路が、前記各制御可能なスイッチを駆動す
    るために使用することができるパルス幅変調出力を供給
    することができる方法。
  12. 【請求項１２】 請求項９に記載の方法において、前記
    使用可能状態が少なくとも一つの二方向スイッチを備え
    るスイッチング・ネットワークにより実現する方法。
  13. 【請求項１３】 請求項９に記載の方法において、前記
    使用可能状態が、前記信号発生器回路が、前記通常モー
    ドで前記周波数変換装置を作動することができるよう
    に、前記信号発生器回路の少なくとも一つの出力を前記
    制御可能なスイッチの中の少なくとも二つに供給するこ
    とにより実現する方法。
  14. 【請求項１４】 請求項９に記載の方法において、前記
    周波数変換装置が、始動中、前記位相シフト・モードで
    動作する方法。
  15. 【請求項１５】 請求項９に記載の方法において、前記
    周波数変換装置が、故障中、前記位相シフト・モードで
    動作する方法。
  16. 【請求項１６】 請求項９に記載の方法において、さら
    に、前記信号発生器回路と、前記制御可能なスイッチの
    中の一つとの間に少なくとも一つのゲート駆動変圧器を
    接続するステップを含む方法。
  17. 【請求項１７】 電源であって、 制御可能なスイッチを有する全ブリッジ・インバータ
    と、 前記全ブリッジ・インバータに接続している一次巻線を
    有する分離変圧器と、 前記分離変圧器の二次巻線に接続している整流器と、 コントローラとを備え、該コントローラが、 位相シフト・モードで前記制御可能なスイッチを駆動す
    るように設計された信号発生器回路と、 以下のモード：前記インバータの第一および第二の各脚
    部の制御可能なスイッチが相補的にスイッチングされ、
    前記信号発生器回路が、第一および第二の脚部の間の相
    対的位相を調整することができる位相シフト・モード
    と、 前記制御可能なスイッチの対角線方向のペアが、ほぼ同
    時に、ほぼ全使用率で切り換えられる通常モード、 の中のどちらかのモードで、前記信号発生器回路が前記
    周波数変換装置を動作させることができるように前記信
    号発生器回路に接続しているスイッチング・ネットワー
    クとを備える電源。
  18. 【請求項１８】 請求項１７に記載の電源において、前
    記信号発生器回路が集積回路に埋設されている電源。
  19. 【請求項１９】 請求項１７に記載の電源において、前
    記信号発生器回路が、前記各制御可能なスイッチを駆動
    するために使用することができるパルス幅変調出力を供
    給することができる電源。
  20. 【請求項２０】 請求項１７に記載の電源において、前
    記スイッチング・ネットワークが少なくとも一つの二方
    向スイッチを備える電源。
  21. 【請求項２１】 請求項１７に記載の電源において、前
    記スイッチング・ネットワークが、前記信号発生器回路
    が前記通常モードで前記インバータを作動することがで
    きるように、前記信号発生器回路の少なくとも一つの出
    力を前記制御可能なスイッチの中の少なくとも二つに供
    給する電源。
  22. 【請求項２２】 請求項１７に記載の電源において、前
    記インバータが、始動中、前記位相シフト・モードで動
    作する電源。
  23. 【請求項２３】 請求項１７に記載の電源において、前
    記インバータが、故障中、前記位相シフト・モードで動
    作する電源。
  24. 【請求項２４】 請求項１７に記載の電源において、前
    記コントローラが、さらに、前記信号発生器回路と、前
    記制御可能なスイッチの中の一つとの間に接続している
    少なくとも一つのゲート駆動変圧器を備える電源。
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