JP2002520991A - 電力供給ラインから流れる電流の高調波を制御するモジュール装置 - Google Patents

電力供給ラインから流れる電流の高調波を制御するモジュール装置

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JP2002520991A JP2000559631A JP2000559631A JP2002520991A JP 2002520991 A JP2002520991 A JP 2002520991A JP 2000559631 A JP2000559631 A JP 2000559631A JP 2000559631 A JP2000559631 A JP 2000559631A JP 2002520991 A JP2002520991 A JP 2002520991A
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シュムエル、ベン‐ヤーコブ
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グリーン、パワー、テクノロジーズ、リミテッド
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    • Y02B70/10—Technologies 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】 電気装置による電力供給ラインから流れる電流の高調波を調節するためのモジュール装置であって、整流ダイオードのアレイから成る第1の回路モジュールと、電力スイッチおよび制御器およびそれらの配線を含む第２のスイッチと制御器のアセンブリ（ＳＣＡ）モジュールと、整流モジュールから流れる電流をフィルタリングする入力インダクタンスと、負荷に与える出力電圧をフィルタリングするための出力キャパシタとを含む。整流器の入力は電力供給ラインに接続され、整流器モジュールの出力は出力キャパシタに接続される。インダクタンスの入力は整流器に接続され、インダクタンスの出力は前記ＳＣＡの入力に接続され、キャパシタは負荷に対して並列に接続される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワー・エレクトロニクスの技術分野に関し、特にモジュールの設
計や構成の技術の使用によって電気機器によって電力供給ラインから流れる電流
の高調波を制御する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、電気機器が負荷として接続された電力供給ラインから流れる電流の
振幅および位相を成形するという課題には多大な労力が費やされてきた。スイッ
チ・モードおよび共振コンバータがDC-DC（直流−直流）、DC-AC（直流−交流）
、AD-DC（交流−直流）、AC-AC変換に広く使用されている。いくつかの用途にお
いては、電力変換の目的はコンバータの入力における電流を成形することである
。例えば、有効力率補正（Active Power Factor Correction(APFC)）回路として
従来知られている電力入力の段階において、そのコンバータの機能は、電源（電
力供給ライン）から供給されるAC電流がその電源電圧とほぼ同じ形状および位相
で現れることが保障されなければならない。このようにして統一された力率（PF
）が得られる。
【０００３】 APFC段階の必要性は、電力供給の質に関して世界中の企業によって研究されて
いる。一般に、力率が悪いといくつかの問題、即ち、低送電効率、同じ電力供給
ラインに接続される他の装置の通常の機能に対する妨害、また、電圧形状のひず
みも生じる。負荷装置によって生じる電流の高調波（harmonics）の許容できる
レベルを制御する任意の、または特定の標準的な装置が、高い電力の質を維持す
るために多くの国によって取り入れられてきた。
【０００４】 APFCの他の長所は、電力供給ラインから引き出される電力レベルを上げること
である。APFCのない現状のスペクトルの構成要素を見ると、基本的な（最初の）
高調波成分は、実際に引き出された電力に関係する。その電流の大きさの根２乗
平均は基本的な大きさのレベルを越えて増加する。ヒューズや回路遮断器のよう
な保護要素の機能が電流の根２乗平均によって影響されるので、電流の根２乗平
均を増加させることは電力供給ラインから引き出される最大の電力レベルを制限
してしまう。APFCを備えた電気機器は電流の根２乗平均を基本的な高調波に等し
いレベルにすることができる。従って、電源供給ラインから引き出される電力は
その最大の理論値のレベルに到達し得る。
【０００５】 上記したことから、APFCの必要性が広範であること、および経済的にもAPFC回
路の実施が非常に重要であることは明白である。さらに、APFCのコストがもとの
装置の機能に対して付加的な費用になるという事実を考慮するとそのAPFC回路の
コストは非常に重要である。結果として、APFCユニットは製造時に経済的な方法
を使用して組み立てられるべきであり、なんらかの既存の装置への組み込みが簡
単であるべきである。
【０００６】 （ローディング）装置の電気回路の一部としてA PFCステージやサブ回路を物
理的に実施するためには、いくつかの既知の方法が使用される。このような場合
、この装置の設計者は所望されるAPFCステージを形成するための集積回路（ICs
）と同様に、能動または受動素子を使用する。通常、多くの構成要素を含む設計
は、比較的コストが高いことや信頼性が低いことのようないくつかの欠点に苦し
む。さらに、これらの設計は多くのワイヤ接続を必要とし、その結果、電磁干渉
(Electro-Magnetic Interference(EMI))やグランド・ノイズ（ground noise）に
対して感度が比較的高くなり、他の技術的な欠点になる。
【０００７】 他の構成方法としては、APFCステージの回路およびすべての構成要素を含む１
つの“ブロック”（APFCブロック）を構成する。これを実施することは、電気的
な観点からの設計上の問題を根本的に解決してくれるが、十分な熱放散に対する
設計への要求が残ってしまう。さらに、他の（この種の製品においてより優れた
）製造業者から普通に販売されている分離型のAPFCユニットは、コストがより高
くなってしまう。他の欠点としては、この実現化は、通常、大量生産による低コ
ストの利益を有するIC技術と両立しないという事実である。さらにAPFCブロック
を使用する問題点としては、これを実施すると、すべての熱を放出する構成要素
、即ち、メイン・スイッチ、ダイオードおよびインダクタンスコイルが互いに隣
接しているという事実である。このように接近していると、深刻な熱放散の問題
につながり、そのようなモジュールの電力を扱う能力を制限してしまう。さらに
、この構成要素が隣接するため、EMIの制限は、すべてを複雑化し、コストが高
くなり、性能が低下し、重いスナビング（snubbing）、遮蔽およびフィルタリン
グが必要になる。
【０００８】 米国特許５,５３０,６３５（Yashiro）には、ノイズ・フィルタ・モジュール
、１またはそれ以上の力率と高調波補正のモジュール、１またはそれ以上のDC-D
Cコンバータ・モジュールおよび電力変換モジュールのための電源用バックアッ
プとに分けられた電源が記載されている。各モジュールは、要求される様々な仕
様によって所望される電源を構成するために随意的に組み合わされる。しかしな
がら、IC技術へ実際に使用されず、さらに最適な熱放散に関して有利でないので
、この構成は単純性に欠ける。
【０００９】 米国特許５,０４７,９１２（Pelly）には、APFCステージのモジュール化され
た４つのターミナルの実施例が記載されている。その制御回路は、その回路のフ
ィードバック・ループに基準信号を発生させるために信号微分器（signal diffe
rentiator）を備える。微分器はそれらの中でも非常にノイズに敏感であり、出
力信号を損なうおそれがある。高周波ノイズが注入される特徴を有するパルス幅
変調の昇圧コンバータ（Pulse Width Modulation Boost converters）のような
スイッチ回路もまた使用することに問題がある。本特許から生ずる他の問題とし
ては、導線の電圧から出力される基準フィードバック信号は、任意に制御された
導線の電流の形状を変形させる付加的なノイズを含むことである。
【００１０】 米国特許５,０４７,９１２によって解決されていない異なる問題としては、回
路を制御するために（導線の電圧から）部分的な電力供給が生ずることである。
高電力のAPFCステージにおいては数ワットの部分的な電源が必要とされる。この
目的のために外部の電源を使用することは、付加的な回路およびピン接続が要求
され、コストを増加させる。他のアプローチとしては、出力電圧の分圧器からの
、若しくはメイン・スイッチを介しての電圧からの電力供給をすることである。
このアプローチは、特に高電力用の場合に、非常に効率が悪い。
【００１１】 米国特許５,０４７,９１２の他の欠点としては、本特許における導線の整流器
が入力コイルの後に配置されるという事実のため、その入力整流器として高速ダ
イオードが必要になる。ここで、信号は、高速の整流ダイオードが要求されるス
イッチング周波信号であり、それにより、高い電力の損失を避ける。高速のダイ
オードを使用することによって、（そのようなダイオードはより高価なため）コ
ストが高くなり、また高いスイッチング・ノイズをも導いてしまう。
【００１２】 上述したすべての方法は、構成の単純さ、低コスト、モジュール化したAPFCス
テージという課題をまだ十分に解決していない。
【００１３】 本発明の目的は、構成要素の数の少ない電力供給ラインの電流の高調波を調節
するためのAPFCユニットを提供することである。
【００１４】 本発明の他の目的は、コンパクトで、低コストのAPFCユニットを提供すること
である。
【００１５】 本発明の他の目的は、配線量を最小にしたコンパクトなAPFCユニットを提供す
ることである。
【００１６】 本発明のさらに他の目的は、部分的に電力を十分に供給し、供給を切り替え、
制御する回路を有するAPFCユニットを提供することである。
【００１７】 本発明のさらに他の目的は、ＩＣ技術と両立するAPFCユニットを提供すること
である。
【００１８】 本発明のさらに他の目的は、信号の微分を伴うことなく、一方で、従来技術に
おける欠点を解決するAPFCユニットを提供することである。
【００１９】 尚、本発明の他の目的および利点は、以下の記述で明らかになる。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電気的装置によって電力供給ラインから流される電流の高調波を制
御するためのモジュール化された装置の構成と関係する。この装置は、付加的な
高周波をフィルタリングするキャパシタを有する整流回路モジュールと、スイッ
チ・コントロール・アセンブリ（ＳＣＡ）モジュールであって、すべて半導体パ
ワー・デバイス制御回路およびそれらの配線から形成されるものと、整流回路モ
ジュールから流れる電流を平滑化にする入力インダクタンスコイルと、出力電圧
をフィルタリングする出力キャパシタとから形成される。
【００２１】 好ましくは、力率の補正をする動作はＳＣＡモジュールによって実行される。
補正は整流された入力電圧を高い周波数で制御されたスイッチングによって得ら
れる。さらに、整流は、ＳＣＡの出力に直列接続された高周波整流ダイオードに
よって実行される。制御回路は、ＳＣＡの入力電流および出力電圧の両方をサン
プリングし、制御信号に応答して固有のパルス幅変調器によってスイッチング・
トランジスタを制御する。その制御回路には、電源によってＳＣＡモジュール内
の入力（inlet）を介して電力が供給される。好ましくは、付加的なソフト・ス
イッチングは、ＳＣＡの入力と出力との間に接続されたインダクタンス、キャパ
シタおよび２つの整流ダイオードにより形成される組込み型オン動作スナバ（an
integrated turn-on snubber）を使用することによって得られる。これら２つ
のダイオードはＳＣＡモジュール内に組み込まれている。
【００２２】 好ましくは、ＳＣＡモジュールは、半導体材料だけから形成され、それにより
、低電力用のモノリシック集積回路として、若しくは中、高電力用のハイブリッ
ド回路として製造され、いずれの場合も３端子または２ポート熱放散パッケージ
（2 port heat dissipating package）でパッケージされる。この構成を使用す
ることによって、高い電力を取扱う能力が得られる。この構成は、また、集積化
のために必要とされる配線の数を減少させ、大量生産の単位コストも減少させる
。半導体製品のように製造することができない、インダクタンスやいくつかのキ
ャパシタのようなＳＣＡ作用のために要求される受動素子は、モノリシック設計
の場合にはＳＣＡパッケージ内の、若しくはハイブリッド設計の場合にはモジュ
ール内の適切な入力を介して接続する。
【００２３】 好ましくは、熱放散に最適な方法によってモジュールおよび構成要素を個別に
搭載することができるようにする。本構造のモジュールや構成要素の異なる端子
の間の配線は、プリント配線板やアルミナ板上にワイヤおよび／または導電性の
トレースを使用して設けられ、それにより、低コストの構造になるとともに労力
が軽減する。本装置は、さらに、ＳＣＡモジュールの切り替え電圧から、若しく
は出力電圧から印加される内部電源を備える。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明について上記した、若しくは他の特徴および利点は、添付された図面を
参照しつつ以下の説明および模倣でない（non-imitative）好適な実施の形態の
詳細な説明によってより良く理解されるであろう。
【００２５】 本発明をより良く理解するために、図１から図５によって示された図によって
、従来例の構造が説明される。PWMブースト・コンバータとして知られているAPF
Cステージの典型的な従来例の実施形態が図１に示されている。入力のAC電圧は
、４つのダイオードから形成されるアレイ１によって整流され、入力インダクタ
ンス２（Lin）と、スイッチ３（S1）と、高周波用整流器４（D2）と、出力フィ
ルタリング・キャパシタ５（C0）と、抵抗器６（RL）と示されている負荷とを含
むブースト・ステージに流れ込む。スイッチ３はデューティ・サイクルDの高周
波制御信号によって駆動し、それにより、出力電流ｉinの形状は整流された入力
電圧VivRの形状に従う。それによって、（インダクタンス２の手前にある）入力
端子は抵抗としての特性を有する。即ち、力率（PF）は全体として等しい。
【００２６】 図２に示す他の従来例の実施形態は能動および受動の両方の要素から構成され
る。入力AC電圧は、４つのダイオードから形成されるアレイ７によって整流され
、入力インダクタンス８（Lin）と、金属−酸化膜−半導体電界効果トランジス
タ（MOSFET）スイッチ９（Q1）と、高周波用整流器１０（D2）と、出力フィルタ
リング・キャパシタ１１（C0）と、抵抗器１６（RL）と示されている負荷と、IC
有効力率（APF）制御器１２であってその補助的な受動素子回路１７を備えるも
のと、電流検出用抵抗器１３（RS）と、電圧検出用抵抗器１８（Rａｃ）と、抵
抗器１４（R１）および１５（R２）から形成される出力電圧ドライバとを含むブ
ースト・ステージに流れ込む。MOSFETスイッチ９はAPF制御器１２からの高周波
制御信号によって駆動される。本形態では、いくつかの構成要素（例えば、イン
ダクタンス８およびキャパシタ１１）は比較的大きなサイズであり、マイクロエ
レクトロニクス技術とは両立しない。APF制御器１２および整流器１０のような
他のシリコン半導体はモノリシックICチップ上に製造される。しかし、図２に示
すステージは、ワイヤで結合されている多くのディスクリート部品を含み、APFC
ステージの簡素化を不可能にしている。例えば、整流入力電圧VivRを検出しなけ
ればならないので、ワイヤが流入ポイント“ｃ”および制御器１２の間に接続さ
れなければならない。出力電圧を調節するために、ポイント“ｂ”（電圧ドライ
バ（R１、R２）の出力）での電圧もまた制御器１２によって検出される。
【００２７】 図３には、１つのAPFCブロック１９内にパッケージされた図２のステージに類
似する完成したステージ（出力フィルタリング・キャパシタ２０を除く）を含む
他の従来例が示される。本形態では、すべての熱放散要素は近くに隣接し、熱を
除去することが困難である。
【００２８】 図４には、改良型の従来例において、改良した制御動作（a modified control
）を含むAPFCステージを示し、このAPFCステージでは入力電圧VivRの検出は不要
である。ポイント“ａ”での電圧Vaは、最大振幅Ｖ０の脈動電圧（pulsating vo
ltage）であり、スイッチ２１（S1）が導通していないときのＴＯＦＦという期
間持続する。その結果、ポイント“ａ”での平均電圧Vavは
【数１】 で与えられる。
【００２９】 ここで、TSはPWMのスイッチングの期間であり、また、
【数２】 ここで、
【数３】 である。
【００３０】 同様に、S１が導通している間 （TONの期間）の“ON”でのデューティ・サイ
クルDONは、
【数４】 で与えられる。
【００３１】 ブースト・コンバータ内へ入力される入力電圧VivRがスイッチング周波数fS（
fS＝１／TS）と比較して低い周波数であり、従って、１つのまたはいくつかのス
イッチング期間の間では一定と考えることができる。電力ステージが適切に制御
された場合、インダクタンス２２（Lin）を介した低周波電圧はほとんどゼロで
ある（電力ステージが適切に制御されなかった場合には、電流は大きな値に上昇
してしまう）。即ち、
【数５】 ここで、vivRはVivRの瞬間的な低周波成分である。
【００３２】 式１から式５によって、次の方程式が得られる。
【００３３】
【数６】 DＯＦＦが次のルール
【数７】 （ここで、Kは定数であり、ｉinaは入力電流ｉinの低周波成分）に従ってプログ
ラムされる場合には、
【数８】 または
【数９】 である。
【００３４】 フィルタリング・キャパシタ２３（C0）が出力電圧V０の周波を無視し得るほど
十分に大きい場合には、場合には、式９により、入力電流は力電圧に従う。従っ
て、コンバータ・ステージは、次の入力抵抗を有する抵抗器と考えることができ
る。
【００３５】
【数１０】 式１０から、入力電流と同様に入力抵抗Ｒｅの値は、Ｋの値を適切にすることに
より制御し得る。実際に、出力電圧は負荷２４（RL）を様々なものにしても一定
に保たれる。このことは、閉制御ループをＫに確立することによって得ることが
できる。検出用抵抗器２５（RS）によって検出された入力電流（ｉina）に比例
する電圧ｖｉｎ電圧は乗算器２６（Ｍ）へ印加される。エラー増幅器２７は、基
準電圧Ｖrefと出力電圧Voを比較し、乗算器２６内へ印加されるエラー電圧Veを
発生する。因子Kによってｉinaに比例する積ｖiin・Veは、PWMモジュレータ２８
内へ印加され、式７によりデューティ・サイクル・パルス（Doff）を発生する。
【００３６】 図５に図示される他の改良型の従来例APFCステージは、デューティ・サイクル
・パルス（Doff）を発生させるためにMOSFETスイッチ２９内に流れる電流を利用
する。検出抵抗器３０（Rs）はMOSFETスイッチ２９と直列に設けられ、検出抵抗
器３０（Rs）を介した電圧は入力電流ｉinaを測定ために使用される。この従来
例は、上記した図４の従来例と同様に、入力電圧の検出が要求されず、必要な配
線の数を低減させる。
【００３７】 図６に示すように、本発明による好適な実施の形態によれば、APFCステージは
、互いに接続される４つの基本サブ回路、２つのモジュールおよび２つの構造上
の要素から形成される。第１のモジュールは汎用されている入力整流器アレイ３
１（D1）を含む。このモジュールは電力供給ラインに接続される１つの入力と１
つのDC出力とを有する。この入力は、通常、電力供給ラインから入るノイズを抑
制するために従来から存在するノイズ・フィルタによって予めフィルタリングさ
れる。キャパシタ（C1）は整流器アレイの出力を介して付加的に接続され、それ
により、整流された電圧の高周波成分を接地する。スナバが使用される場合には
、第１の構成要素は入力インダクタンス３２（Lin）であり、入力インダクタン
ス３２（Lin）はタップが設けられ（tapped）、追加のインダクタンスを含むこ
とができる。このインダクタンスは整流モジュールとSCAモジュールとの間に接
続される。
【００３８】 第２のモジュールは、スイッチ・コントロール・アセンブリ（SCA）３３であ
り、スイッチング装置、制御器、整流器および電源回路というすべて半導体の素
子から成る。このモジュールの入力は、入力インダクタンス３２（Lin）を介し
て第１のモジュール３１の出力に接続され、その出力は負荷に接続される。その
SCAモジュールはON時のスナバを付加的に含むことができる。本発明によれば、S
CAモジュールは３つの端子、即ち、１つは入力用、１つは出力用および１つは設
置用の端子を有し得る。
【００３９】 第２の構成要素は出力キャパシタ３４（C0）であり、出力キャパシタ３４（C0 ）は、SCAの出力を通して、負荷と並列に接続される。このモジュール構造は、
配線が非常に少なく、電力の順方向の流れおよび信号が単純である。さらに、３
つの電力放散要素、入力整流器アレイ３１（D1）、入力インダクタンス３２（Li n ）およびSCAの物理的な配置は、精密性を要しないので、熱を最も良く除去でき
るようにそれらを個別に実装し得る。
【００４０】 図７は、本発明の他の好適な実施の形態による別の構造を示した図である。こ
の実施の形態では、SAC３５は、上述の図６と同じ構造に接続されているが、２
ポートのネットワークとして接続されている。この構造はSCA内の入力電流の検
出をすることができ、それによって、制御回路を簡素化している。
【００４１】 図８に示すように、本発明の他の好適な実施の形態によれば、高周波出力整流
用ダイオード３６（D2）がSCA３７から分離されている。この構造は冷却および
実装により良い構成を採ることを可能とする。
【００４２】 SCAは、その内部回路、パッケージングおよび製造技術に関して、異なるよう
に実施することができる。図９には、本発明に従ったSCA回路の代表的な実施の
形態を示す。本SCA回路では、すべてのマイクロエレクトロニクスの組込み可能
な構成要素が互いにグループ化されている。SCAを動作させるために必要な内部
電源（Vcc）は、電流源３８（Iaux）、電力供給の安定化のためのツェナー・ダ
イオード３９（DZaux）および平滑キャパシタ４０（Ｃaux）を含む補助回路を使
用して出力電圧から得ることができる。高電力用の場合には、平滑キャパシタ４
０（Ｃaux）はＳＣＡモジュールの外側に配置される電解コンデンサでよい。こ
のＳＣＡの実施の形態は、図４を参照して上述された制御回路によって制御され
る典型的なＰＷＭモジュレータを採用している。
【００４３】 図１０に示すように、本発明によれば、高電力モジュールに別の内部電源が配
設されている。チャージ・ポンプ用キャパシタ（CX）は、陽極の正端子と直列に
接続し、スイッチング・トランジスタのドレインに接続すればよい。整流ダイオ
ード（DX）は、チャージ・ポンプ用キャパシタの出力と直列に接続する。電力を
供給する出力電圧を安定させるためのツェナー・ダイオード（DZaux）は、整流
ダイオード（DX）とグランドとの間に接続されている。平滑キャパシタ（Ｃaux
）はツェナー・ダイオード（Dzaux）と並列に接続されている。インダクタンス
（LX）は、他の整流ダイオード（DX1）と直列に接続され、チャージ・ポンプ用
キャパシタ（CX）の第2の端子とグランドとの間に接続されている。
【００４４】 本発明の１つの好適な実施の形態によれば、電源用の出力電圧は、ツェナー・
ダイオードDZauxを使用する代わりに、固定の、若しくは調節可能な電圧調節器
によって安定させている。この電圧調節器はその出力において、比較的良く波動
を抑制する。電圧調節器の入力は整流ダイオードDxの陰極に接続し、その共通の
端子は接地され、さらに、電源用の出力電圧は、電圧調節器の出力から印加され
、平滑キャパシタＣauxによってフィルタリングされる。
【００４５】 内部電源回路の入力は、上述した図4で定義された電圧Ｖaのように、パルス波
源（pulsating source）（Ｖpulse）に接続することができる。矩形波入力の各
立上り端のために、チャージ・ポンプ用キャパシタ４１（CX）は一定の電荷Qx1
を出力Vccに供給する。電荷Qx1は次の式で与えられる。
【００４６】
【数１１】 ここで、VpはＶpulseの振幅であり、Cxはキャパシタ４１の容量である。この
ように、ｆsのスイッチングの周波数に従い不連続の電荷Qx1によってVcc端子内
へ流れ込む電流Icc1は次の式で与えられる。
【００４７】
【数１２】 Cxは、電荷の運搬によって電圧VpをVccへと充電する。Ｖpulseがゼロになった
とき、チャージ・ポンプ用キャパシタ４１（CX）は、インダクタンス４２（Lx）
とともに共振回路を形成し、電圧がキャパシタ４１を通してVccに届くまでキャ
パシタ４１（CX）を充電する。電圧がVccに届いた瞬間に、インダクタンス４２
（Lx）の電流は、ゼロへ減少するまでVcc端子内へ流れ込む。キャパシタ４１（C X ）からVccへ移動したエネルギーは次のように与えられる。
【００４８】
【数１３】 また、Vccに流れた電流Icc2は次のように与えられる。
【００４９】
【数１４】 式１３および式１４より、Vccへ流れ込む全電流Iccは次のように与えられる。
【００５０】
【数１５】 図１０において示されたSCA共振電源は効率が高いので、その反応要素に従っ
たエネルギーのほとんどが補われる。
【００５１】 図１１には、本発明の好適な実施の形態に従って、SCAモジュール内へ図１０
において説明した共振電源を組み込んだ組込体（integration）を示している。
このような組込体は、スイッチ４３（S1）に“ソフト・スイッチング（soft swi
tching）”を与えることによって、昇電力ステージの動作を改善することができ
る。キャパシタ４４（CX）は、スイッチの両端に発生する電圧の比率を緩和する
ことによって、スイッチに対するOFF時スナバとして機能する。スイッチを通し
ての電圧、およびスイッチを通しての電流の両方が存在する重複時間は減少し、
スイッチングのロスを減少させる。さらに、キャパシタ４４（CX）は、電源（実
際には図１におけるインダクタンスLin）によって充電（または放電）され、そ
の充電（または放電）の過程にはほとんどロスが無く、その結果、効率が改善さ
れる。
【００５２】 本発明の他の好適な実施の形態によれば、回路にＯＮ時スナバを付加すること
によって、さらに改良されたAPFCステージが形成される。このようなアプローチ
については図１２に図示されている。タップを有するインダクタンス４５（Ｌin ）、ダイオード４６（Ds１）およびダイオード４７（Ds2）は、スナバ要素（イ
ンダクタンス４８[Lr]およびキャパシタ４９ [Cr]）と協働してON時のスイッチ
ングのロスを減少させる。さらに、本発明において説明したモジュール設計は、
記述したスナッビング回路または他の任意のスナッビング回路を付加してもなお
保持される。
【００５３】 SCAモジュールの製品コンセプトは、要求される量や電力レベルに非常に左右
される可能性がある。図１３には、本発明の好適な実施の形態に従った、上述し
た図６のAPFCステージの構成が示されている。SCAモジュールは、モノリシック
（チップ）ICとして製造され、4ピンパッケージ５０内にパッケージされている
。本構成は主として低電力の用途に適する。
【００５４】 図１４には、本発明の他の好適な実施の形態に従った、上述した図７のAPFCス
テージの構成が示されている。本構成でも、SCAモジュールはモノリシック（チ
ップ）ICとして製造され、５ピンパッケージ５１内にパッケージされている。本
構成も主として低電力の用途に適する。
【００５５】 図１５には、本発明の他の好適な実施の形態に従った、APFCステージの構成が
示されている。SCAモジュールは、マルチ・チップ・ハイブリッド回路（multi-c
hip hybrid circuit）として製造され、サブ・アセンブリ５３をベースとした副
（associate）プリント回路板（PCB）を備える3ピンパッケージ５２内にパッケ
ージされている。本構成は主として中または高電力の用途に適する。
【００５６】 図１３および図１４ですでに示したように、ユーザが（既に）市販されている
電源を使用することを好む場合には、外部からの電源用の外部ピンを簡単に設け
ることができる。しかしながら、主としての特徴は、SCAモジュールと他の構成
要素との間の配線の数を減少させることに関する。
【００５７】 第1の実施例： 図１６は、APFCステージ構造の全体の回路図であり、SCAモジュール７８は内
部電源および本発明に従ってON時のスナバ回路を含み、マルチ・チップ・ハイブ
リッド回路として製造される。整流器アレイは分離型モジュール６０内に含まれ
る。入力インダクタンス６１（Lin）は、この場合タップ付インダクタンスであ
り、スナッビング回路インダクタンス６２（Lr）およびスナッビング回路キャパ
シタ６４（Cr）と同様に、ICまたはハイブリッドの技術と両立しないので、SCA
モジュールの外部に配置されている。スイッチング・トランジスタ７７（Q1）を
制御する制御回路はIC素子を使用して実施される。電圧Vrefは、抵抗器R2および
ツェナ−・ダイオードD2によるVccから生じ、エラー増幅器６８（U3）へ供給さ
れる。エラーの結果は、サンプリング抵抗器７１（Rs）を通した電圧とともに乗
算器７２（U4）内へ供給される。その乗算器からの出力電圧Vmは、ランプ電圧Vr amp とともにコンパレータ６６（U1）内へ供給され、Vpのピーク値とゼロとの間
を変化し、それによって、スイッチング周波数ｆs（ｆs＝1／Ts）を決定する。
【００５８】 ランプ電圧Vpのピーク値は抵抗器７５（Rs）およびツェナ−・ダイオード７６
（Dz1）によるVccから決定される。電源６５（U5）は、キャパシタ６９（Cramp
）をVrampへ充電する。Vrampは、Vpとともに他のコンパレータ６７（U2）内へ供
給され、コンパレータ６７は、Vramp がVmを越えたときに所定の短期間トランジ
スタ７０（Q2）を駆動させることによってCrampを放電する。このようにして、
スイッチング・トランジスタ７７（Q1）が導通していない間の期間Toffは、Vmに
比例するので、（上述した式７をより）入力電流ｉinaにも比例する。本構成を
使用した場合、SCAモジュール７８、IC、半導体、抵抗器、キャパシタ、および
インダクタンス６３（Lx）を含むすべての要素を１つのハイブリッド回路内に組
み込むことができる。
【００５９】 第2の実施例： 図１７には、図１６によって与えられた全体のAPFCステージの構造が示されて
いる。整流器アレイ８０とICおよび／またはハイブリッド回路であるSCA８４と
は、金属線を有する熱放散パッケージ（例えば、アルミナ）内に各々パッケージ
ングされ、熱伝導性の接着剤またははんだによって付着させ、PCB８９内の固定
孔８１および９２をそれぞれ穿孔することによって、ヒートシンク９０上に実装
される。PCB８９はねじを使用して、若しくははんだ付けによってケースに実装
される。
【００６０】 プリント銅線８８は異なる構成要素の端子間を接続するために使用されている
。入力タップ付インダクタンス８２（Lin）、スナバ・インダクタンス８３（Lr
）、スナバ・キャパシタ８６（Cr）および出力キャパシタ８７（C0）は、PCB材
料上に接着またははんだ付けされる。キャパシタ９３（C1）は、整流された電圧
の高周波成分をフィルタリングするために使用され、整流器アレイ８０の出力を
通して付加的に接続される。これらの構成要素の各端子は、PCB上の対応する銅
パッドにはんだ付けされる。
【００６１】 言うまでもなく、上記した実施例および記述は、説明の目的のためにのみ提供
するものであり、本発明を特定の手段に限定するものではない。当業者に理解さ
れるように、本発明は、上述した手段からの１の技術より多くの技術を採用する
ことによって、本発明の範囲を逸脱することなく、非常に様々な手段で実行する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の（従来例の）PWMブースト・コンバータの回路図。
【図２】 従来の（従来例の）APFCステージの回路図。
【図３】 従来の（従来例の）APFCステージの回路図。
【図４】 APFCステージの制御回路の（従来例の）回路図。
【図５】 他のAPFCステージの制御回路の（従来例の）回路図。
【図６】 本発明によるAPFCステージのモジュール構造体の回路図。
【図７】 ２ポートネットワークとしてのAPFCステージのモジュール構造体の回路図。
【図８】 改良された熱放散器を備えた図６に示された構造体の回路図。
【図９】 本発明によるスイッチ・コントロール・アセンブリ（SCA）の回路図。
【図１０】 本発明によるSCAに共振する部分的電源の回路図。
【図１１】 本発明によるSCA内に組み込まれた共振する部分的電源の回路図。
【図１２】 本発明による損失の少ないスナビング回路を備えたSCAの回路図。
【図１３】 本発明に従って形成され、SCAが４ピンのICとして形成されている図６のAPFC
ステージの図。
【図１４】 本発明に従って形成され、SCAが５ピンのICとして形成されている図７のAPFC
ステージの図。
【図１５】 本発明に従って形成され、SCAがハイブリッド技術を使用して形成されているA
PFCステージの図。
【図１６】 本発明に従って形成され、SCAがハイブリッドIC技術に対して適切な方法によ
って形成されているAPFCステージの図。
【図１７】 本発明による全体のAPFCステージ構造体を示す図。
【手続補正書】
【提出日】平成１３年２月１９日（２００１．２．１９）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２０】
【課題を解決するための手段】 本発明は、電気的装置によって電力供給ラインから流される電流の高調波を制
御するためのモジュール化された装置の構成と関係する。この装置は、整流ダイ
オードのアレイを有する第1の整流回路モジュールであって、その入力が電力供
給ラインに接続されるものと、第2のスイッチ・コントロール・アセンブリ（Ｓ
ＣＡ）モジュールであって、その出力電圧と前記電力供給ラインからの電流とを
サンプリングすることによって前記電力供給ラインを介した電圧に従って前記電
流を制御するものとを含む。第2のSCAモジュールは、電力スイッチおよび制御器
並びにそれらの配線であって、その入力が、整流モジュールからの電流をフィル
タリングするために、直列に接続された少なくとも１つの入力インダクタンスを
通して前記第1の整流回路モジュールの出力に接続されているものと、前記負荷
における出力電圧波をフィルタリングするために前記負荷および前記SCAの出力
に並列に接続される少なくとも１つの出力キャパシタとを含む。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３８】 第２のモジュールは、スイッチ・コントロール・アセンブリ（SCA）３３であ
り、スイッチング装置、制御器、整流器および電源回路というすべて半導体の素
子から成る。このモジュールの入力は、入力インダクタンス３２（Lin）を介し
て第１のモジュール３１の出力に接続され、その出力は負荷に接続される。その
SCAモジュールはオン動作スナバを付加的に含むことができる。本発明によれば
、SCAモジュールは３つの端子、即ち、１つは入力用、１つは出力用および１つ
は設置用の端子を有し得る。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００５１】 図１１には、本発明の好適な実施の形態に従って、SCAモジュール内へ図１０
において説明した共振電源を組み込んだ組込体（integration）を示している。
このような組込体は、スイッチ４３（S1）に“ソフト・スイッチング（soft swi
tching）”を与えることによって、昇電力ステージの動作を改善することができ
る。キャパシタ４４（Ｃx）は、スイッチの両端に発生する電圧の比率を緩和す
ることによって、スイッチに対するオフ動作スナバとして機能する。スイッチを
通しての電圧、およびスイッチを通しての電流の両方が存在する重複時間は減少
し、スイッチングのロスを減少させる。さらに、キャパシタ４４（Ｃx）は、電
源（実際には図１におけるインダクタンスLin）によって充電（または放電）さ
れ、その充電（または放電）の過程にはほとんどロスが無く、その結果、効率が
改善される。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正内容】
【００５２】 本発明の他の好適な実施の形態によれば、回路にオン動作スナバを付加するこ
とによって、さらに改良されたＡＰＦＣステージが形成される。このようなアプ
ローチについては図１２に図示されている。タップを有するインダクタンス４５
（Ｌin）、ダイオード４６（Ds１）およびダイオード４７（Ds2）は、スナバ要
素（インダクタンス４８[Lr]およびキャパシタ４９ [Cr]）と協働してON時のス
イッチングのロスを減少させる。さらに、本発明において説明したモジュール設
計は、記述したスナッビング回路または他の任意のスナッビング回路を付加して
もなお保持される。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正内容】
【００５７】 第1の実施例： 図１６は、APFCステージ構造の全体の回路図であり、SCAモジュール７８は内
部電源および本発明に従ってオン動作スナバ回路を含み、マルチ・チップ・ハイ
ブリッド回路として製造される。整流器アレイは分離型モジュール６０内に含ま
れる。入力インダクタンス６１（Lin）は、この場合タップ付インダクタンスで
あり、スナッビング回路インダクタンス６２（Lr）およびスナッビング回路キャ
パシタ６４（Cr）と同様に、ICまたはハイブリッドの技術と両立しないので、SC
Aモジュールの外部に配置されている。スイッチング・トランジスタ７７（Q1）
を制御する制御回路はIC素子を使用して実施される。電圧Vrefは、抵抗器R2およ
びツェナ−・ダイオードDz2によるVccから生じ、エラー増幅器６８（U3）へ供給
される。エラーの結果は、サンプリング抵抗器７１（Rs）を通した電圧とともに
乗算器７２（U4）内へ供給される。その乗算器からの出力電圧Vmは、ランプ電圧
Vrampとともにコンパレータ６６（U1）内へ供給され、Vpのピーク値とゼロとの
間を変化し、それによって、スイッチング周波数ｆs（ｆs＝1／Ts）を決定する
。

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電気装置による電力供給ラインから流れる電流の高調波を調節するためのモジ
    ュール装置であって、 ａ）整流用ダイオードのアレイを含む第1の整流器回路モジュール、 ｂ）電力スイッチと制御器およびそれらの相互配線を含む第２のスイッチと制
    御器のアセンブリ（ＳＣＡ）モジュール、 ｃ）整流モジュールから流れる電流をフィルタリングする少なくとも１つの入
    力インダクタンス、および ｄ）負荷において生ずる出力電圧リップルをフィルタリングする少なくとも１
    つの出力キャパシタ、 を備えるモジュール装置。
  2. 【請求項２】 ａ）前記整流器の入力と前記電力供給ラインとの間の接続部、 ｂ）前記整流器モジュールの出力と前記ＳＣＡとの間の接続部、 ｃ）前記ＳＣＡの入力と前記整流器との間をインダクタンスを介して接続する
    接続部、 ｄ）前記ＳＣＡの出力と前記出力キャパシタとの間の接続部、 ｅ）前記インダクタンスの入力と前記整流器との間の接続部、 ｆ）前記インダクタンスの出力と前記ＳＣＡの入力との間の接続部、および ｇ）前記キャパシタと前記負荷との間の並列接続部、 をさらに備える請求項１に記載のモジュール装置。
  3. 【請求項３】 前記ＳＣＡは、 ａ）前記ＳＣＡ入力と並列に接続されるスイッチング・トランジスタ、 ｂ）前記ＳＣＡ出力と直列に接続される高周波用整流ダイオード、 ｃ）前記ＳＣＡ入力と直列に接続される電流検出用抵抗器、および ｄ）前記スイッチング・トランジスタを制御する制御回路であって、該制御回
    路の１の入力は前記電流検出用抵抗器に接続され、他の入力は前記ＳＣＡの出力
    に接続されている制御回路、 を備えることを特徴とする請求項１に記載のモジュール装置。
  4. 【請求項４】 ソフト・スイッチイングのためのＯＮへの切替スナバが、前記スイッチと制御
    器のアセンブリに接続され、該スナバの入力および出力は前記ＳＣＡの入力およ
    び出力にそれぞれ接続されることを特徴とする請求項２に記載のモジュール装置
    。
  5. 【請求項５】 前記スナバは、 ａ）前記入力インダクタンスのタップと前記出力との間を接続する２つの整流
    ダイオード、 ｂ）前記ＳＣＡインレットと直列に接続されているインダクタンス、および ｃ）前記２つの整流ダイオードの間の共通の端子と前記ＳＣＡインレットとの
    間を接続するキャパシタ、 を含むことを特徴とする請求項４に記載のモジュール装置。
  6. 【請求項６】 前記スナバの前記２つの整流ダイオードは前記ＳＣＡモジュール内へ組み込ま
    れていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のモジュール装置。
  7. 【請求項７】 前記制御回路は、 ａ）基準電圧源、 ｂ）乗算器によって動作するパルス振幅モジュレータであって、前記乗算器の
    出力に従ってデューティ・サイクルの切替えを制御する前記スイッチング・トラ
    ンジスタのゲートに接続されるパルス振幅モジュレータ、 ｃ）前記エラー電圧および前記入力電流検出用抵抗器を介する電圧が印加され
    る乗算器、 ｄ）前記基準電圧および前記出力電圧に接続される増幅器であって、前記出力
    電圧と前記基準電圧との差に比例するエラー電圧を前記乗算器に印加する増幅器
    、 を含むことを特徴とする請求項２に記載のモジュール装置。
  8. 【請求項８】 前記ＳＣＡは前記制御回路のための内部電源回路を含むことを特徴とする請求
    項３に記載のモジュール装置。
  9. 【請求項９】 前記制御回路のための外部電源器は前記ＳＣＡへのインレットを介して前記Ｓ
    ＣＡに接続されることを特徴とする請求項３に記載のモジュール装置。
  10. 【請求項１０】 前記スイッチと制御器のアセンブリ・モジュールは、３端子ユニットとして実
    施され、１つの入力端子、１つの出力端子および１つの共通端子を含むことを特
    徴とする請求項２に記載のモジュール装置。
  11. 【請求項１１】 前記スイッチと制御器のアセンブリ・モジュールは、４端子2ポートユニット
    として実施され、１つの入力ポートおよび１つの出力ポートを含むことを特徴と
    する請求項２に記載のモジュール装置。
  12. 【請求項１２】 前記スイッチと制御器のアセンブリ・モジュール内には半導体素子のみが含ま
    れ、該スイッチと制御器のアセンブリ・モジュールはモノリシック集積回路とし
    て製造されることを特徴とする請求項７から請求項１１のいずれかに記載のモジ
    ュール装置。
  13. 【請求項１３】 前記スイッチと制御器のアセンブリ・モジュールは、マルチ−チップ・ハイブ
    リッド回路として製造され、それによって電力を取り扱う能力を向上させている
    ことを特徴とする請求項７から請求項１１のいずれかに記載のモジュール装置。
  14. 【請求項１４】 前記スイッチと制御器のアセンブリ・モノリシック集積回路は、他のユニット
    に接続するために適切なパッケージでパッケージングされていることを特徴とす
    る請求項１２または請求項１３に記載のモジュール装置。
  15. 【請求項１５】 前記パッケージは熱を良く放散する熱放散パッケージであることを特徴とする
    請求項１４に記載のモジュール装置。
  16. 【請求項１６】 前記２つのモジュールは熱放散を高めることができるように分離して実装され
    、それによって、前記装置の操作をする制御電力を増加させることができること
    を特徴とする請求項１に記載のモジュール装置。
  17. 【請求項１７】 前記高周波用整流ダイオードは第３のモジュールから無視され、熱放散を向上
    させることのできる仕方でヒート・シンク上に分離して実装され、それによって
    、当該装置の操作をする制御をさらに増加させることができることを特徴とする
    請求項２に記載のモジュール装置。
  18. 【請求項１８】 前記電源は、前記出力電圧から電力供給され、 ａ）前記出力電圧端子に接続されている電流源； ｂ）前記ａ）の前記電流源によって電力供給されるツェナー・ダイオード； ｃ）前記ｂ）の前記ツェナー・ダイオードと並列に接続される平滑キャパシタ
    ； を含むことを特徴とする請求項８に記載のモジュール装置。
  19. 【請求項１９】 パルス状電圧器から電力供給される共振ローカル電源であって、 ａ）チャージ・ポンプ・キャパシタであって、該チャージ・ポンプ・キャパシ
    タの１つの端子は前記パルス状電圧器の陽極端子と直列に接続されるチャージ・
    ポンプ・キャパシタ； ｂ）整流ダイオードであって、前記ダイオードの陽極は前記ａ）のチャージ・
    ポンプ・キャパシタの出力と直列に接続される整流ダイオード； ｃ）電源の出力電圧の安定化のための電圧調整装置であって、該電圧調整装置
    の入力は前記ｂ）の前記整流ダイオードの陰極に接続され、該電圧調整装置の出
    力は前記電源の出力電圧端子に接続され、該電圧調整装置の共通端子は前記パル
    ス状電圧器の陰極端子に接続されている電圧調整装置； ｄ）前記ｃ）の前記電圧調整装置の出力と並列に接続されている平滑キャパシ
    タ； ｅ）インダクタンスであって、該インダクタンスの１つの端子が前記ａ）の前
    記チャージ・ポンプ・キャパシタの第２の端子へ接続され、該インダクタンスは
    前記チャージ・ポンプ・キャパシタと直列に接続して共振回路を形成し、該共振
    回路は前記チャージ・ポンプ・キャパシタを充電するところのインダクタンス；
    および ｆ）整流ダイオードであって、該ダイオードの陰極は前記ｅ）の前記インダク
    タンスの他の端子に接続され、前記ダイオードの陽極は前記パルス状電圧器の負
    端子に接続される整流ダイオード； を備えることを特徴とする共振ローカル電源。
  20. 【請求項２０】 前記電圧調整装置はツェナ−・ダイオードであることを特徴とする請求項１９
    に記載の共振ローカル電源。
  21. 【請求項２１】 前記電圧調整装置は定電圧レギュレータであることを特徴とする請求項１９に
    記載の共振ローカル電源。
  22. 【請求項２２】 前記電圧調整装置は調整可能な電圧レギュレータであることを特徴とする請求
    項１９に記載の共振ローカル電源。
  23. 【請求項２３】 高周波成分をフィルタリングするためのキャパシタが前記整流回路モジュール
    の出力を介して付加的に接続されていることを特徴とする請求項１または請求項
    ２に記載のモジュール装置。
  24. 【請求項２４】 モジュールの端子と構造上の構成要素または他のモジュールの端子との間に要
    求される任意の電気的接続は、適切なワイヤおよび／または適切なプリント回路
    板を使用して接続されていることを特徴とする請求項２に記載のモジュール装置
    。
  25. 【請求項２５】 電気装置による電力供給ラインから流れる電流の高調波を調節するための装置
    であって、説明され図示されたものとほぼ同じもの。
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