JP2002330583A - Dc−dc変換器 - Google Patents

Dc−dc変換器

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JP2002330583A
JP2002330583A JP2002108220A JP2002108220A JP2002330583A JP 2002330583 A JP2002330583 A JP 2002330583A JP 2002108220 A JP2002108220 A JP 2002108220A JP 2002108220 A JP2002108220 A JP 2002108220A JP 2002330583 A JP2002330583 A JP 2002330583A
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Hubert Raets
ラエツ ヒューベルト
Carsten Deppe
デッペ カルステン
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Koninklijke Philips Electronics NV
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    • Y02B70/10Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の目的は、DC−DC変換器及び操作
中に発生する損失が可能な限り最も小さいタイプの電源
ユニットの提供である。 【解決手段】 本発明は、DC−DC変換器に関し、そ
れによって、DC入力電圧(Vdc)が共振する切り替
え型モード電源によって2つのDC出力電圧(U1,U
sb)に変換される電源ユニットに関する。回路段階
(M1,M2)を介して、制御回路(C)は、異なる伝
達行動を伴う二つの共振回路及び二つの整流器(G1,
Gsb)を介して周波数に依存した方法でDC出力電圧
(U1,Usb)に変換される、第一AC電圧
(VAC)を産出する。待機モードを達成するために、
第一DC出力電圧(U1)は著しく低くなるように設計
され、出力側へ如何なる力をも引き起こすことが困難で
あり、インダクター(L2)を介して共振回路に接続さ
れる第二の薄い予備の回路段階(M3、M4)が提供さ
れる。待機モードの回路の電流消費は、適切な規模によ
って相当縮減されるであろう。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、DC(直流)入力
電圧を、複数のDC出力電圧に変換するための、通常の
操作モード及び省エネルギーの待機モードで操作される
かもしれない、DC−DC変換器に関する。
【0002】
【従来の技術】DC−DC変換器は、特に、家電の分野
で、応用した使用における通常の操作モードと待機モー
ド(待機モードにおいて、そこで装置は実際の機能を実
行しないが、単に適切な呼び起こし信号に応答する準備
ができる)の間の電源に関して識別するために知られて
いる。著しいほど、より小さな力は通常の操作より待機
モードのために必要になる。したがって、かかる装置で
は、DC−DC変換器を備えた電源ユニットが有利に使
用される。上記の電源ユニットは、通常の操作モードと
待機モードの間で切り替えられるかもしれない少なくと
も2つの出力電圧を供給する。別の電圧が単に待機回路
を供給している一方、第一出力電圧は装置の主要なエレ
クトロニクスを供給する役目をする。待機モードにおい
て、第一出力電圧は、0若しくは非常に低い値に従来通
りに縮小される。一方、第二出力電圧は変わらないか、
通常の操作モードと待機モードの間に単に重要な意味も
なく変化する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】前述の状況において、
本発明の目的は、DC−DC変換器、及び操作中に発生
する損失が可能な限り最も小さい、前述のタイプの電源
ユニットを提供することである。
【0004】かかる目的は、請求項1に記載のようなD
C−DC変換器及び請求項9に記載のような電源により
達成される。有用な発展は、従属項に含まれている。
【0005】
【課題を解決するための手段】DC−DC変換器は、A
C(交流)主要電圧の整流によって例えば生成されるか
もしれない、DC入力電圧を複数のDC出力電圧(典型
的には、1つが電子装置の主要なエレクトロニクスを供
給し、別のものが装置の待機エレクトロニクスを供給す
る)に変換する役目をする。変換器は、 −主要な回路段階の入力でDC入力電圧を、2つの配達
ノードで、主要な回路段階の出力を介して通過される、
第一AC電圧に変換するための切り換え要素を備えた主
要な回路段階; −予備の切り換え要素を備えた予備の回路段階、及び、
予備の回路段階の入力でDC入力電圧を、2つの前述の
配達ノードにおいて予備の回路段階の出力を介して通過
される、第二AC電圧に変換するための予備のインダク
ターと; −配達ノードでAC電圧を、第一整流器によって第一D
C出力電圧を生成する役目をする、第一AC出力電圧に
変換するための第一共振回路と; −配達ノードでAC電圧を、第二整流器によって第二D
C出力電圧を生成する役目をする、第二AC出力電圧に
変換するための第二共振回路と;及び −主要回路段階及び予備の回路段階を活性化するための
制御回路とからなる。
【0006】制御回路を介する主要な回路段階若しくは
予備の回路段階の適切な活性化によって、回路段階のD
C入力電源は、与えられた周波数及び与えられたマーク
スペース比を伴うパルス形態AC電圧に変換される。次
いで、かかるAC電圧は、共振回路の共鳴振動数の位置
に依存する適切な大きさのDC出力電圧に変換する、二
つの共振回路に供給される。このようにして、各DC出
力電圧のレベルは、供給されたAC電圧の周波数、つま
り、制御回路が回路段階を始動する周波数を介して変化
するであろう。
【0007】主要な回路段階及び予備の回路段階の二つ
の回路の使用は、これらの回路段階が、DC−DC変換
器の異なる操作のモードのための各場合に最良に設計さ
れるかもしれないという利点を有している。このよう
に、それは、特に効率的なエネルギーである異なるモー
ドを設計することにおいて可能である。
【0008】予備の回路段階は、主要な回路段階より消
費力の低いレベルで好ましく設計されている。力のレベ
ルを低下させる、出力側で要求される、DC−DC変換
器が操作モードである場合、予備の回路段階はこのよう
に有利に使用されてもよい。操作のかかるモードは、電
子装置の待機モードに特異的に対応するかもしれない。
【0009】好ましい実施態様によると、予備の回路段
階及び制御回路は、集積回路として連帯して構築される
かもしれない。予備の回路段階が、集積回路として困難
さを有せずに設計されるかもしれないそのような低いロ
ードのために意図される場合、これは特に可能である。
【0010】制御回路は、有用に配列されプログラムさ
れるので、通常の操作のモード、若しくは待機モードで
所望のように、操作されるかもしれない。通常の操作モ
ードにおいて、それは、待機モードにおいて、それが後
のものが第二周波数範囲Df2における第二AC電圧を
生成するのと同じ方法で予備の回路段階を活性化してい
る一方、後のものが第一周波数範囲Df1の中の第一A
C電圧を生成するのと同じ方法で主要な回路段階を活性
化する。通常の操作のモード及び待機モードのそれぞれ
において、予備の回路段階及び主要な回路段階は、次い
で、個々の未使用の場合であるか、若しくはどんな出力
電圧も生成しない、かかる方法で活性化された場合であ
る。共振回路及び整流器を介して、上に説明されるよう
に、第一周波数範囲若しくは第二周波数範囲からそれぞ
れ生成された出力電圧が大きさを変化するDC出力電圧
に変換される。この状況での1つの利点は、比較的低い
出力側の消費力での待機モードの中で、必要なAC電圧
は適切な規模の(つまり、好ましくはより薄い)回路段
階によって共振回路の入力側に生成されるかもしれない
という事実である。この方法で、活性化力及びDC−D
C変換器の電流消費は、このようにして待機操作では下
がっている。
【0011】配達ノードでの電圧と共振回路の出力との
間の電位分離において、二つの共振回路の1つに関連し
た一次巻線、第一共振回路に関連した二次巻き線及び第
二共振回路に関連した第二の二次巻線を有する変圧器が
提供されるかもしれない。さらに、変圧器は、予備の回
路段階の予備のインダクターを形成する、第二の一次巻
き線を含むかもしれない。このように、予備のインダク
ターを構成するために付加的な個別の構成部分を提供す
ることは不必要である。
【0012】主要な回路段階は、二者択一で2つの切り
換え要素を含む半ブリッジ回路若しくは4つの切り換え
要素を含むフルブリッジ回路(full bridge
circuit)の形式をとる。予備の回路段階は、
むしろ2つの切り換え要素を含む半ブリッジ回路の形式
をとる。
【0013】第一共振回路に加えて、DC−DC変換器
は、さらに主要な出力を提供する、一つ以上のさらなる
出力回路を含むであろう。さらなる出力回路において、
配達ノードのAC電圧は、さらなるDC出力電圧を生成
する役目をする、AC出力電圧に変換される。
【0014】本発明は、さらに、上述のタイプのDC−
DC変換器を含むことを特徴とする電源ユニットに関す
る。かかる電源ユニットは、特に節電方法で、通常操作
のモードにおける電子装置の通常の電流の供給のため
に、及び待機モードにおいて縮小された力を伴う装置を
供給するために適切である。
【0015】本発明は、図で示された実施態様の実施例
と関連してさらに記載されるが、しかしながら、本発明
は制限されてはない。
【0016】
【発明の実施の形態】図1は、本発明によるDC−DC
変換器の好ましい開発の回路の概略である。DC−DC
変換器は、DC入力電圧Vdcを二つのDC出力電圧U
1及びUsbに変換する。第一出力電圧U1は、例えば
テレビ装置(モニター)装置のような装置の主要なエレ
クトロニクスの供給に特に貢献するかもしれない。その
一方で、第二の出力電圧Usbは、好ましくは装置の待
機エレクトロニクスを供給するために使用され、したが
って、概して顕著なほど小さいか、若しくは、出力電圧
U1より低い力として供給される。さらに、DC−DC
変換器は、通常操作のモードと待機モードの間で切り替
え可能であるべきで、待機モードにおいては、電圧U1
は少なくとも0にほぼ等しい。
【0017】回路の上記の記述された行動は、下記に説
明される構造によって可能な限り低い消費力で達成され
る。
【0018】入力電圧Vdcは、まず第一に、本事例の
場合、一続きで位置する、切り換え要素M1及びM2を
備えた半ブリッジ回路の形式をとる、主要な回路段階を
介して供給される。切り換え要素は、特異的に、MOS
電界効果トランジスターの形態をとるかもしれない。特
に、切り換え要素は、集積回路の形態となるかもしれな
い、制御回路Cを介して、つまり開閉して、活性化され
た。切り換え要素の適切な調節された開口及び閉鎖によ
って、パルス形態で切られた入力電圧Vdcは、先決す
ることができる周波数及び調整可能なマークスペース比
率(適用された電圧Vdcを備えた、及びVdcのない
時間の比率)で、ノードK1(2つの切り換え要素M1
とM2の間に位置する)及びノードK2(それは、切り
換え要素M1と入力電圧Vdcの電極の間に位置する)
に適用されるかもしれない。このようにして、第一AC
電圧VACは、二つのノードK1及びK2間で上昇す
る。
【0019】ノードK1及びK2に適用されたAC電圧
は、2つの異なる共振回路を備えたいわゆる共振する変
換器2によって2つのAC出力電圧に変換され、それら
は各場合に、DC出力電圧U1及びUsbへ整流器G1
若しくはGsbを介して変換された。共振変換器2は入
力側で2つのノードK1及びK2と接続している。第一
ノードK1から、この接続は、第一インダクターL1及
び変圧器T(巻き線番号1)の一次巻き線及びコンデン
サーC1を介して第二ノードK2の背後に結合する。
【0020】変圧器Tへ一次側で与えられた電圧は、そ
れぞれの巻数N2及びN3を備えた2つの二次巻線によ
る二次的側に、伝導的にデカップルされた方法でタップ
される。二次巻線N2を備えた第一共振回路では、コン
デンサーC2が二次巻き線と平行に接続され、コンデン
サーの電圧は前述の整流器G1によってタップされ、第
一DC出力電圧U1に変換される。第二共振回路におい
て、コイルLsb及びコンデンサーCsbは、二次巻き
線N3に接続している。コンデンサーCsbでの電圧
は、任意のさらなるコンデンサーC3を介して整流器G
sbによりタップされ、第二DC出力電圧Usbに変換
される。
【0021】二次巻き線N2及びN3に加えて、さらな
る主要な出力が進展するためのタップを介して、所望の
ような多くの追加の二次巻線が提供されるかもしれな
い。実施例の方法によって、DC出力電圧Unを産出す
るための整流器GnにAC電圧を供給する、さらなる巻
き線Nnが図1に示されている。主要な出力Unの行動
は、出力U1の行動と大いに対応する。しかしながら、
第二出力回路において、コンデンサーC2に対応するコ
ンデンサーは必要としない。適切な方法(つまり、巻線
N2,…Nn上の寄生性の静電容量として)でコンデン
サーC2を分配することは同様に許容可能である。
【0022】変圧器N1,…NnのインダクタンスL1
が無視できる一方で、構成L1、C1、及びC2が共振
回路の主要な機能に含まれるため、図1に例証されてい
る、インダクター及びコンデンサーから構成される共振
回路の上記構造は、LCC変換器として知られている。
構造は単に可能な実施例を表わし、当業者によって多く
の方法で修正されるかもしれない。LLC変換器(変圧
器N1,…NnのインダクタンスLhは非常に影響力が
あり、C2は無視できる)、LC変換器(L1及びC1
のみが重要)、及びLLCC変換器(L1、Lh、C1
及びC2が重要)はまた、頻繁に使用される。唯一の決
定的な要因は、出力側において、特異的で、周波数に依
存する伝達行動を備えたノードK1及びK2でのAC電
圧VACが、AC電圧(その後、それらはさらにDC出
力電圧U1若しくはUsbにそれぞれ変換されるかもし
れない)に変換されるということである。
【0023】通常の操作モードでの共振回路の周波数依
存の伝達行動は、連続するラインを伴う図2に表されて
いる。上部の図は、ノードK1及びK2で供給されるA
C電圧の周波数f(水平軸)の機能として、DC出力電
圧U1を産出する、第一共振回路の増幅(縦軸)を示し
ている。したがって、下部の図は、入力電圧の周波数の
機能としてのDC出力電圧Usbを産出するための役目
をする、第二共振回路の増幅を示している。
【0024】さらに、図は、DC−DC変換器が好まし
く操作される範囲内の周波数範囲Df1及びDf2を例
証している。この図に関して、第一DC出力電圧U1
が、第二周波数範囲Df2よりも第一周波数範囲Df1
において著しく大きいことは注意されるかもしれない。
対照的に、第2のDC出力電圧Usbは周波数範囲Df
1及びDf2の両方の大きさとほぼ等しく、並びに第1
のDC出力電圧U1より比較的小さい。第二DC出力電
圧Usbがほぼ一定を維持する一方で、二つの周波数範
囲Df1及びDf2間のDC−DC変換器を切り換える
ことによって、第一DC出力電圧U1は、このようにし
て断続的に切り替わるかもしれない。変換器の典型的な
活用において、第二周波数範囲Df1は、したがって、
変換器の上に操作された装置の待機モードに対応する。
【0025】図1による回路の予備の切り換え要素M3
及びM4の機能は、まだ試験されていない。直列に配列
され、半ブリッジ回路を形成する予備の切り換え要素M
3及びM4は、主要な回路段階(切り換え要素M1及び
M2)と平行で、DC入力電圧Vdcにて予備の回路段
階を合成する役割をする。予備の切り換え要素M3及び
M4は、主要な回路段階の切り換え要素M1及びM2よ
りも薄く、したがって、共通のチップ1の制御回路Cを
伴って統合されるかもしれない。
【0026】二つの予備の切り替え要素M3及びM4間
の中央点は、インダクターL2を介してノードK1に接
続している。加えて、インダクターL2の代替として、
変圧器Tのさらなる転換も一続きの中で接続されるかも
しれない。予備の切り換え要素M3の他の接続は、別の
ノードK2(及び入力電圧源の極)と接続されている。
予備の切り換え要素M3及びM4から構成される予備の
回路段階を伴って、節電は、低い力が出力側に引き起こ
されるかもしれない、待機モードのDC−DC変換器の
入力側で達成されるかもしれない。
【0027】待機モードの操作若しくは規模に依存する
低いロードの操作の間、制御回路C1の主要な回路段階
M1、M2は不活性化され(両者の切り換え要素M1及
びM2は開かれる)、代わって、予備の回路段階M3、
M4は活性化される。切り換え要素M3及びM4の異な
る規模並びに相互に連結したインダクターL2により、
変換器は、必要な操作するポイントのために最適化され
るかもしれない、異なる伝達行動を表現する。
【0028】予備の回路段階M3、M4の活性により達
成される伝達行動は、図の点線のように図2に例証され
ている。上記で説明したように、DC−DC変換器が通
常の操作モードである場合、第一周波数範囲Df1での
AC電圧は、高いDC出力電圧U1及び低いDC出力電
圧Usb(電圧U1及びUsbは、周波数範囲Df1で
二重の矢で図2に表示されている)が変換器の出力にお
いて出力されるように、ノードK1及びK2での主要な
回路段階M1、M2を介して産出される。
【0029】待機モードへの制御回路Cの切り換えにお
いて、制御回路Cが主要な回路段階(M1、M2)を開
き、その代り、範囲Df2からの周波数を伴う予備の回
路段階(M3、M4)を活性化する。関連するDC出力
電圧は、予備の回路段階に属する、図2の点線で表され
ている。関連するDC出力電圧は、二重の矢によって周
波数範囲Df2内に標識されており、そこでは、DC出
力電圧U1が、通常の操作モードよりも著しく低く、D
C出力電圧Usbが通常の操作モードとほとんど等しい
大きさであることが明らかである。
【0030】変換器の待機操作への適合によって、かな
り低い消費力が達成され、待機回路の構成物はより小さ
く、より安価であるかもしれない。待機操作での消費力
の改良は、 −活性化力の縮減と; −反応的な力の縮減と; −変圧器Tの一次及び二次巻き線及び待機共振回路での
電流の縮減とによって実質的に獲得される。
【0031】待機操作中の第二共振回路の二次巻き線N
3で考慮される小さな電流のため、実質的な節約は、第
二共振回路での簡素化構成を用い、及びかかる巻き線に
おいて細いワイヤーを用いて可能となる。さらなる節約
は、一次側の追加的に要求される構成物の完璧な統合の
ために待機モードの考慮できる小さい一次電流によって
得られる。すなわち、インダクターL2が変圧器Tに統
合されるかもしれず、そこでは、待機モードにおける転
換N1を変更することはさらに可能である。適切な規模
を用いて、待機モードの電流の流れはさらに小さいかも
しれないので、M3及びM4から構成される半ブリッジ
は、制御回路Cのチップに統合されるかもしれない。
【0032】出力電圧Usbにおける第二共振回路の共
振はより低質であり、それによって待機モードでの可能
な制御範囲はより大きい。電圧Usbは、したがって正
確に調節される。
【0033】切り換え要素M3及びM4を伴う小さな半
ブリッジにより、(ゲートチャージ(gate cha
rge)のために)要求された、活性化する力は最小に
なる。因数4.5による電流の縮減は、20倍の抵抗
(4.5)を伴うM3及びM4のための電界効力トラ
ンジスターの使用を許容する。上記は、ほぼ20分の1
の入力キャパシタンスを表す。活性化のために要求され
る力は、結果として20分の1だけで、高周波でさえ最
小値(<20mW)で維持される。本発明による回路の
おかげで、回路の待機の消費は、現在の値の3Wから1
Wへと縮減され、コストもまた縮減されるかもしれな
い。
【0034】M1及びM2から構成される半ブリッジ回
路における図に関連して記載された原理はまた、主要な
回路段階におけるフルブリッジ回路の事例に使用される
かもしれない。次いで、3つのハーフブリッジが使用さ
れ(主要な回路段階のために二つの大きなブリッジ及び
予備のブリッジ)、様々な入力電圧が周波数を介して制
御される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明LCC型によるDC−DC変換器の回路
の概略である。
【図2】DC−DC変換器の共振回路の伝達関数を示
す。
【符号の説明】
1 制御回路及び予備の
回路段階を伴うチップ 2 共振回路 C 制御回路 C1,C2,C3,Cn,Csb コンデンサー G1,Gn,Gsb 整流器 K1,K2 配達ノード L1,Lsb インダクター L2 予備のインダクター M1,M2 切り換え要素 M3,M4 予備の切り換え要素 N1,N2,N3,Nn 巻き線 T 変圧器 U1,Un 通常操作のためのD
C出力電圧 Usb 待機操作のためのD
C出力電圧 VAC,VAC´ AC電圧 Vdc DC入力電圧
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヒューベルト ラエツ オランダ国,6373 アーイェー ラントフ ラーフ,エクスデル 32 (72)発明者 カルステン デッペ ドイツ連邦共和国,52076 アーヘン,ア ーヘナー シュトラーセ 123 Fターム(参考) 5H730 AA02 AA14 BB26 BB57 BB76 BB80 DD04 EE04 EE07 EE30 EE73 FG07

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 DC入力電圧を複数の出力電圧に変換す
    るためのDC−DC変換器であって、 −2つの配達ノードでDC入力電圧を、第一AC電圧に
    変換するための切り換え要素からなる主要な回路段階
    と;−予備の切り換え要素を備えた予備の回路段階、及
    び、前記2つの配達ノードで前記DC入力電圧を、第二
    AC電圧に変換するための予備のインダクターと;−前
    記配達ノードで前記AC電圧を、第一DC出力電圧を生
    成する役目をする、第一AC出力電圧に変換するための
    第一共振回路と;−前記配達ノードで前記AC電圧を、
    第二DC出力電圧を生成する役目をする、第二AC出力
    電圧に変換するための第二共振回路と;及び−前記主要
    回路段階及び前記予備の回路段階を活性化するための制
    御回路を有することを特徴とするDC−DC変換器。
  2. 【請求項2】 前記予備の回路段階が、前記主要な回路
    段階よりも低いレベルの消費力において設計されている
    ことを特徴とする請求項1に記載のDC−DC変換器。
  3. 【請求項3】 前記予備の回路段階及び前期制御回路の
    前記切り換え要素が集積回路を形成することを特徴とす
    る請求項1若しくは2に記載のDC−DC変換器。
  4. 【請求項4】 前記制御回路が配列されるため、通常操
    作モードでは、前記主要な回路段階のみを介して第一周
    波数範囲で第一AC電圧を産出し、待機モードでは、前
    記予備の回路段階のみを介して第二周波数範囲で第二A
    C電圧を産出することを特徴とする請求項1乃至3に記
    載のうち、少なくとも一つに記載のDC−DC変換器。
  5. 【請求項5】 前記配達ノードと前記第一及び第二AC
    出力電圧との間に電位分離をもたらす変圧器が提供さ
    れ、該変圧器が前記二つの共振回路の一つと関連する一
    次巻き線、前期第一共振回路と関連する第一の二次巻き
    線及び前記第二共振回路と関連する第二の二次巻き線と
    からなることを特徴とする請求項1乃至4の少なくとも
    一つに記載のDC−DC変換器。
  6. 【請求項6】 前記予備のインダクターが、前記変圧器
    の一次巻き線の少なくとも一部の形成をなすことを特徴
    とする請求項5に記載のDC−DC変換器。
  7. 【請求項7】 前記DC入力電圧を前記第一AC電圧に
    変換するための前記主要な回路段階は、二つの切り換え
    要素からなる半ブリッジ回路若しくは四つの切り換え要
    素からなるフルブリッジ回路を含むことを特徴とする請
    求項1乃至6に記載のうち、少なくとも一つに記載のD
    C−DC変換器。
  8. 【請求項8】 前記予備の回路段階が二つの切り換え要
    素からなる半ブリッジ回路を含むことを特徴とする請求
    項1乃至7に記載のうち、少なくとも一つに記載のDC
    −DC変換器。
  9. 【請求項9】 前記AC電圧を、さらなるDC出力電圧
    を産出するための役目をする、さらなるAC出力電圧へ
    前記配達ノードで変換する少なくとも一つのさらなる出
    力回路を含むことを特徴とする請求項1乃至8に記載の
    うち、少なくとも一つに記載のDC−DC変換器。
  10. 【請求項10】 請求項1乃至9の一つに記載のDC−
    DC変換器を有する電源ユニット。
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