JP2003219555A - 能動コンデンサ漏れ電流のバランスを取るための方法および装置 - Google Patents

能動コンデンサ漏れ電流のバランスを取るための方法および装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 直列コンデンサからのコンデンサ漏れ電流の
バランスを能動的に取るための方法および装置を提供
し、積層コンデンサがダブラ動作するように構成された
ときに切断する回路を提供すること。 【解決手段】 能動回路が、例えばPNPバイポーラ・
トランジスタとNPNバイポーラ・トランジスタなどの
高電圧低電流トランジスタを含み、これらのトランジス
タは、シンクソース電圧フォロア構成で構成されてお
り、トランジスタのベースは、電圧分圧器回路網に接続
され、非常に高いインピーダンスの低損失の抵抗分圧回
路網を用いてDC入力電圧の一部に基準を取られる。一
実施形態では、PNPおよびNPNトランジスタのエミ
ッタはどちらも、積層内のコンデンサ間の接続点に連結
され、能動シンクソース・ドライブを提供し、これは、
この点での電圧をシンクソース・フォロアの入力基準電
圧に留める。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】本出願は、「Method And Ap
paratus For Balancing Act
ive Capacitor Leakage Cur
rent」という名称の2001年11月27日出願の
米国仮特許出願第60/333453号に対する優先権
を請求する。
【0002】本出願はまた、「Method And
Apparatus For Balancing A
ctive Capacitor Leakage C
urrent」という名称の2001年11月30日出
願の米国仮特許出願第60/335234号に対する優
先権も請求する。
【0003】
【発明の属する技術分野】本発明は一般に回路に関し、
より詳細には、本発明は、直列コンデンサを含む回路に
関する。
【0004】
【従来の技術】電力変換器の1つの機能は、整流された
交流(AC)電力をレギュレートされた直流(DC)出
力に変換することである。図1は、入力から電力変換器
101までに含まれる要素を示す。ダイオード・ブリッ
ジBR1 105が、AC入力を整流する。直列コンデ
ンサC1 107、C2 109が、ダイオード・ブリ
ッジBR1 105の出力電圧を滑らかにするためにダ
イオード・ブリッジBR1 105の両端間に結合され
ている。直列コンデンサは例えば115VACまたは2
30VACなど複数の異なる入力電圧を使用して動作す
るように構成される多くの電源に共通である。図示され
るように、スイッチSW1 111が、ダイオード・ブ
リッジBR1 105と、直列コンデンサC1 10
7、C2 109の間にある接続点113との間に結合
される。例えば230VACで動作するとき、このスイ
ッチSW1 111は開かれる。例えば115VACで
動作するとき、スイッチSW1 111は閉じられる。
【0005】抵抗器R1 115、R2 117は、図
示されるように直列コンデンサC1107、C2 10
9の両端間に結合されて、電源が230VAC入力とし
て構成されるときに、直列コンデンサC1 107、C
2 109の両端間にほぼ等しい電圧を維持し、かつ直
列コンデンサC1 107、C2 109の両端間に電
圧のバランスさせるのに必要なブリード電流を提供す
る。115VAC動作中、2つの直列コンデンサC1
107とC2 109は、入力電圧ダブラ回路の一部と
して機能する。しかし、230VAC用に構成されると
き、2つの直列コンデンサC1 107とC2 109
は、抵抗器R1 115、R2 117によって提供さ
れるもの以外に中心点電圧へのDC接続を有さない。抵
抗器R1115、R2 117を用いないと、2つの直
列コンデンサC1 107とC2 109の中心点電圧
は、コンデンサ漏れ電流によって理想的な1/2DC入
力から逸脱する場合があり、これにより一方のコンデン
サが、もう一方のコンデンサよりも大きな電圧ストレス
を有する可能性がある。実際、コンデンサの1つに過電
圧ストレスがかかり、損傷が加えられる可能性がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】したがって、抵抗器R
1 115とR2 117は、ブリード電流を提供する
ことによってバランスの問題に対する解決策を提供す
る。R1 115、R2117の抵抗値は、効果的にな
るように、直列コンデンサC1 107とC2109の
間での最悪の場合の漏れ電流アンバランスよりも数倍大
きいブリード電流を確立するのに十分低くしなければな
らない。これには、抵抗器が、2つのコンデンサ間の差
分電流によって損失される実際の電力よりもはるかに大
きい電流を損失する必要がある。したがって、抵抗器R
1 115、R2 117は、整流AC電力を受け取る
ように結合された電源変換器の多くの待機または出力無
負荷要件に対する大きな入力電力消費をもたらす。
【0007】
【課題を解決するための手段】直列コンデンサの漏れ電
流のバランスを取るのに必要なブリード電流を大幅に低
減する能動回路が開示されている。この能動回路は、コ
ンデンサが電圧ダブラ動作するように構成されていると
きに、この構成にはブリード電流が必要ないので、ブリ
ード電流を切断するように設計することもできる。一実
施態様では、回路が、コンデンサ間で切り換えられて、
漏れ電流のバランスを取るのに必要なブリード電流を提
供する。一実施態様では、2つのコンデンサ間の接続点
での電圧が、2つの基準電圧の数ボルト範囲内に留めら
れる。一実施態様では、ブリード電流が、2つの直列コ
ンデンサ間の漏れ電流の差に実質的に等しい。一実施態
様では、能動回路がシンクソース・フォロア回路を含
む。一実施態様では、シンクソース・フォロア回路が入
力部を含み、各入力部が、直列コンデンサ間に印加され
る電圧の一部だけオフセットされた電圧を基準とし、シ
ンクソース・フォロア回路の出力部は、2つの直列コン
デンサ間の接続点に結合される。一実施態様では、オフ
セットが非常に低い値に制限され、実質的にゼロのこと
もある。一実施態様では、シンク・フォロア回路は、N
PNバイポーラ・トランジスタを含むソース・フォロア
回路に結合されたPNPバイポーラ・トランジスタを含
む。一実施態様では、抵抗器は、バイポーラ・トランジ
スタによって伝導されるピーク電流を制限するために、
各バイポーラ・トランジスタのコレクタと直列に接続さ
れる。一実施態様では、能動回路が電源回路として使用
される。
【0008】別の実施態様では、能動回路を利用して直
列コンデンサ内の漏れ電流のバランスを取るのに必要な
ブリード電流を大幅に低減する方法が開示されている。
一実施態様では、必要なブリード電流は、直列コンデン
サからの漏れ電流のバランスを取るのに必要なときにス
イッチを入れられる。一実施態様では、能動回路からの
ブリード電流がオフに切り換えられ、直列コンデンサが
ダブラ動作するように構成されるときに実質的にゼロに
等しくなる。一実施態様では、ブリード電流は、2つの
コンデンサ間の漏れ電流の差に実質的に等しくなる。一
実施態様では、能動回路は、2つの直列コンデンサ間の
接続点に接続された出力電圧を入力基準電圧に関して維
持するための手段を含む。一実施態様では、開示される
方法が、電源回路に適用される。本発明の追加の特徴お
よび利点は、以下に記載する詳細な説明および図面から
明らかになろう。
【0009】本発明を例として詳細に例示し、添付図面
に限定はしない。
【0010】
【発明の実施の形態】能動コンデンサ漏れ電流のバラン
スを取る回路概略図の一実施形態を開示する。以下の説
明では、本発明の完全な理解を与えるために多数の特定
の詳細を記載する。しかし、本発明を実施するためにそ
の特定の詳細を採用する必要はないことを当業者には理
解されたい。いくつかの例では、本発明が曖昧になるの
を避けるために、よく知られている材料または方法を詳
細には説明していない。
【0011】本明細書を通じて、「一実施形態」または
「1つの実施形態」に対する言及は、その実施形態に関
連して説明する特定の特徴、構造、または特性が本発明
の少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味す
る。したがって、本明細書を通じて様々な箇所で現れる
用語「一実施形態では」または「1つの実施形態では」
は、必ずしも全てが同じ実施形態に関連しているわけで
はない。さらに、特定の特徴、構造、または特性を、1
つまたは複数の実施形態において任意の適切な様式で組
み合わせることができる。
【0012】概要として、本発明の1つの実施形態によ
れば、直列コンデンサの漏れ電流のバランスを取ること
に関連する入力電力損失が低減される。一実施形態で
は、本発明の教示による回路が、例えば1つのPNPバ
イポーラ・トランジスタと1つのNPNバイポーラ・ト
ランジスタなど高電圧低電流トランジスタを使用して、
直列コンデンサの電圧のバランスを能動的に取る。一実
施形態では、トランジスタは、シンクソース電圧フォロ
ア構成として構成されており、これらのトランジスタの
ベースは、3つの抵抗器を含む非常に高いインピーダン
スをもち、低損失の抵抗分圧回路網を用いて、1/2D
C入力電圧の前後に中心を取られたわずかに異なる、ま
たはオフセットされた基準電圧に連結されている。2つ
のトランジスタのエミッタは共に、直列コンデンサ間の
接続点に連結されて、能動シンクソース・ドライブを提
供し、これは、この点での電圧を入力基準範囲内に留め
る。
【0013】例示の目的で、図2は、直列コンデンサの
電圧のバランスを能動的に取るための本発明の教示によ
る回路201の一実施形態を全体として示す。一実施形
態では、回路201は、高電圧AC入力を整流し滑らか
にする電力変換器または電源の一部である。例示した実
施形態では、回路201は、例えば230VACまたは
115VAC(しかしそれらに限定しない)など、電源
または電力変換器に関する複数の異なる入力電圧に対応
するように適合されている。図示した実施形態に示され
るように、ダイオード・ブリッジBR1 205が、A
C入力203電圧を整流するために結合され、直列コン
デンサC1 207、C2 209が、整流された電圧
を滑らかにするためにダイオード・ブリッジBR1 2
05の両端に結合されている。図示されるように、スイ
ッチSW1 211が、ダイオード・ブリッジBRI2
05と、双方の直列コンデンサC1 207、C2 2
09の間の接続点213との間に結合されている。例え
ば230VACで動作するとき、スイッチSW1 21
1は開かれている。例えば115VACで動作すると
き、スイッチSW1 211は閉じられて、C1 20
7とC2 209の直列結合の両端間の電圧を倍増させ
る。
【0014】図2のボックス200内に図示されるよう
に、シンクソース電圧フォロア回路の一実施形態が例示
される。例示されたシンクソース電圧フォロア回路は、
直列コンデンサC1 207とC2 209の両端間に
結合された、直列に接続されている抵抗器R1 215
と、バイポーラNPNトランジスタQ1 219と、バ
イポーラPNPトランジスタQ2 221と、抵抗器R
2 217とを含む。トランジスタQ1 219とQ2
221の制御端子またはベースが抵抗器R5227に
よって接続され、したがって互いにわずかにオフセット
された入力基準電圧にバイアスされる。一実施形態で
は、入力基準電圧のオフセットの度合が、抵抗回路網に
よって与えられ、抵抗器R3 223、R4 225、
およびR5 227の選択によって支配される。スイッ
チSW1 211が閉じられて、C1 207とC2
209の直列結合の両端間の電圧が倍増するとき、抵抗
器227によって導入されるオフセットによって、トラ
ンジスタQ1 219とQ2 221が効果的に切断さ
れ、後続のAC半サイクルでコンデンサ207と209
に印加される電圧の真の電位差を補正することを回路が
試みるのを防止する。一実施形態では、抵抗器R5が、
実質的にゼロに等しい抵抗値を有する場合があり、これ
は、オフセットを低い値または実質的にゼロ値に制限
し、バイポーラ・トランジスタQ1 219とQ2 2
21のベースを効果的に接続する短絡回路接続でR5
227を置き換えられるという効果を有する。一実施形
態では、抵抗器R3 223、R4 225、およびR
5 227の抵抗値が、図1のR1 115、R2 1
17よりもはるかに大きく、これは、図1のR1 11
5、R2 117に比べて、これらの抵抗器R3 22
3、R4 225、およびR5 227での電力損失を
低減する。
【0015】図2に例示される実施形態では、シンクソ
ース・フォロア回路が、直列コンデンサC1 207と
C2 209の直列構成間の接続点213に接続された
出力を有する。接続点213におけるシンクソース・フ
ォロアの出力での電圧が、抵抗分圧回路網R3 22
3、R4 225、およびR5 227によって決まる
上側または下側入力基準電圧よりも大きく逸脱した場合
に、トランジスタQ1219またはQ2 221がター
ン・オンする。このようにすると、接続点213でのシ
ンクソース・フォロアの出力が、R3 223、R4
225、およびR5 227によって決まる入力基準電
圧範囲内に維持される。図2に示される実施形態では、
R5 227は、シンクソース・フォロアのトランジス
タQ1219およびQ2 221の制御端子またはベー
スにおける入力基準電圧をずらし、それによりトランジ
スタQ1 219のベースは、直列コンデンサのDC入
力の半分よりもわずかに低くなり、トランジスタQ2
221のベースは、直列コンデンサへのDC入力の半分
よりもわずかに高くなる。これは、スイッチSW1 2
11が閉じられた状態でダブラ動作するように直列コン
デンサが構成されるときに、両トランジスタがオフにな
ることを保証するためのものである。別の実施形態(図
示せず)では、抵抗器R3 223、R4 225、お
よびR5227の選択によって決まる基準電圧が、直列
コンデンサへのDC入力電圧の半分ではなく、DC入力
電圧の何らかの他の一部に中心を取られる。図2におけ
る抵抗器R1 215、R2 217は、R3 22
3、R4 225、およびR5 227よりもはるかに
低い抵抗値を有するように選択され、シンクソース・フ
ォロアの電力損失を制限する。
【0016】図2に例示される実施形態は2つのコンデ
ンサの直列を使用するが、この回路は、任意の数の直列
コンデンサに適用することができ、その際、本発明の教
示によれば、直列内のコンデンサの各対の間の接続点
が、別個のシンクソース・フォロア回路の出力に接続さ
れることを理解されたい。
【0017】したがって、図2に例示される実施形態
は、直列コンデンサC1 207、C2 209の両端
の電圧を能動的に制御し、トランジスタQ1 219ま
たはQ2 221を、コンデンサ漏れオフセットの極性
に依存してオンにすることができる。補正トランジスタ
Q1 219またはQ2 221によって提供されるこ
のブリード電流は、コンデンサC1 207とC2 2
09の漏れ電流アンバランス、したがってこの機能を実
施するのに必要な最小値に実質的に等しくなる。その結
果、バランス回路の損失は、実質的に最小値に維持され
る。
【0018】前述の詳細な説明では、本発明の方法およ
び装置を、特定の例示実施形態を参照して説明した。し
かし、本発明のより広範な趣旨および範囲を逸脱するこ
となく様々な修正および変更を加えることができること
は明らかであろう。したがって、本明細書および図面
は、制限を加えるものではなく例示とみなすべきであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】直列コンデンサからのコンデンサ漏れ電流のバ
ランスを取るための、知られている方法の回路概略図で
ある。
【図2】本発明の教示に従って、直列コンデンサからの
コンデンサ漏れ電流のバランスが取られた回路概略図の
一実施形態を示す図である。
【符号の説明】
103、203 入力 105、205 ダイオード・ブリッジ 107、109、207、209 コンデンサ 111、211 スイッチ 113、213 接続点 115、117、223、225、227 抵抗器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5G065 AA00 DA04 EA06 MA10 NA01 NA02 NA04 5H006 AA05 CA07 CA11 CB01 CB04 CB09 CC02 CC08 DA04 DC05 FA04

Claims (28)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一連の直列コンデンサ内に含まれる第1
    のコンデンサの両端間に結合された第1のトランジスタ
    と、 前記直列コンデンサ内に含まれる第2のコンデンサの両
    端間に結合された第2のトランジスタとを備える回路で
    あって、第1のトランジスタが第2のトランジスタに結
    合され、第1のコンデンサが第2のコンデンサに結合さ
    れ、第1および第2のトランジスタが、前記一連の直列
    コンデンサの漏れ電流アンバランスのバランスを取るた
    めに前記一連の直列コンデンサにブリード電流を提供す
    るように適合されている回路。
  2. 【請求項2】 さらに、回路に関する入力基準を決める
    ために第1および第2のトランジスタの当該の制御端子
    に結合された抵抗分圧回路網を備える請求項1に記載の
    回路。
  3. 【請求項3】 抵抗分圧回路網が、第1および第2のト
    ランジスタの当該の制御端子に結合された少なくとも2
    つの抵抗器を備える請求項2に記載の回路。
  4. 【請求項4】 第1および第2のトランジスタが、前記
    一連の直列コンデンサの第1のコンデンサと第2のコン
    デンサの間にある接続点に結合され、第1および第2の
    トランジスタが、接続点での電圧を入力基準範囲内に維
    持するように適合されている請求項1に記載の回路。
  5. 【請求項5】 前記ブリード電流が、前記一連の直列コ
    ンデンサにおける漏れ電流アンバランスと実質的に等し
    い請求項1に記載の回路。
  6. 【請求項6】 前記ブリード電流が、接続点での電圧が
    入力基準範囲内の電圧に固定されて維持されるときに実
    質的にゼロに等しくなる請求項1に記載の回路。
  7. 【請求項7】 第1および第2のトランジスタが、シン
    クソース・フォロア回路構成で結合されている請求項1
    に記載の回路。
  8. 【請求項8】 シンクソース・フォロア回路が、前記一
    連の直列コンデンサの両端間に印加された電圧の一部で
    ある入力基準を受け取るように結合された請求項7に記
    載の回路。
  9. 【請求項9】 前記入力基準が、上側および下側基準電
    圧を含む電圧の範囲であり、上側および下側基準電圧が
    それぞれ、前記一連の直列コンデンサの両端間に印加さ
    れた電圧の一部からオフセットされている請求項8に記
    載の回路。
  10. 【請求項10】 前記一連の直列コンデンサの両端間に
    印加された電圧の一部からの上側および下側基準電圧の
    オフセットがゼロである請求項9に記載の回路。
  11. 【請求項11】 第1および第2のトランジスタがバイ
    ポーラ接合トランジスタを備える請求項7に記載の回
    路。
  12. 【請求項12】 第1および第2のトランジスタがPN
    PトランジスタおよびNPNトランジスタを備える請求
    項11に記載の回路。
  13. 【請求項13】 さらに、第1のトランジスタを介する
    ブリード電流を制限するために第1のトランジスタのコ
    レクタに結合された第1の抵抗器を備え、さらに、第2
    のトランジスタを介するブリード電流を制限するために
    第2のトランジスタのコレクタに結合された第2の抵抗
    器を備える請求項12に記載の回路。
  14. 【請求項14】 前記回路が、電源回路内に含まれた能
    動回路である請求項1に記載の回路。
  15. 【請求項15】 接続点での電圧が上側基準電圧を上回
    った場合に、一連の直列コンデンサ内に含まれる第1の
    コンデンサと第2のコンデンサの間の接続点に第1のト
    ランジスタを介してブリード電流を提供すること、およ
    び接続点での電圧が下側基準電圧を下回った場合に、接
    続点に第2のトランジスタを介してブリード電流を提供
    することを含む方法。
  16. 【請求項16】 前記一連の直列コンデンサにおける漏
    れ電流アンバランスにより、接続点での電圧が上側基準
    電圧を上回り、方法がさらに、ブリード電流を用いて漏
    れ電流アンバランスのバランスを取ることを含む請求項
    15に記載の方法。
  17. 【請求項17】 前記ブリード電流が、第1のコンデン
    サと第2のコンデンサの漏れ電流の差に実質的に等しい
    請求項16に記載の方法。
  18. 【請求項18】 前記一連の直列コンデンサにおける漏
    れ電流アンバランスにより、接続点での電圧が上側基準
    電圧を下回り、方法がさらに、ブリード電流を用いて漏
    れ電流アンバランスのバランスを取ることを含む請求項
    15に記載の方法。
  19. 【請求項19】 前記ブリード電流が、第1のコンデン
    サと第2のコンデンサの漏れ電流の差に実質的に等しい
    請求項18に記載の方法。
  20. 【請求項20】 さらに、接続点での電圧を、上側およ
    び下側基準電圧によって定義される入力基準電圧範囲内
    で維持することを含む請求項15に記載の方法。
  21. 【請求項21】 上側基準電圧と下側基準電圧のオフセ
    ットが実質的にゼロである請求項20に記載の方法。
  22. 【請求項22】 さらに、前記一連の直列コンデンサを
    用いて電源のダイオード・ブリッジの出力電圧を滑らか
    にすることを含む請求項15に記載の方法。
  23. 【請求項23】 さらに、接続点での電圧が上側基準電
    圧と下側基準電圧の間にある場合に、第1のトランジス
    タおよび第2のトランジスタをオフに切り換えることを
    含む請求項15に記載の方法。
  24. 【請求項24】 電源入力の両端間に結合された第1お
    よび第2のコンデンサを含む一連の直列コンデンサと、 第1のコンデンサの両端間に結合された第1のトランジ
    スタであって、第1の基準電圧を受け取るために結合さ
    れた制御端子を有する第1のトランジスタと、第2のコ
    ンデンサの両端間に結合された第2のトランジスタであ
    って、第2の基準電圧を受け取るために結合された制御
    端子を有する第2のトランジスタとを備え、第1および
    第2のコンデンサが、第1のコンデンサと第2のコンデ
    ンサの間の接続点で前記一連の直列コンデンサに結合さ
    れ、前記第1および第2のトランジスタが、前記一連の
    直列コンデンサにおける漏れ電流アンバランスのバラン
    スを取るためにブリード電流を提供するように適合され
    ている回路。
  25. 【請求項25】 さらに、 第1のトランジスタを介するブリード電流を制限するた
    めに第1のトランジスタに結合された第1の抵抗器と、 第2のトランジスタを介するブリード電流を制限するた
    めに第2のトランジスタに結合された第2の抵抗器とを
    備える請求項24に記載の回路。
  26. 【請求項26】 さらに、第1および第2の基準電圧を
    提供するために第1および第2のトランジスタに結合さ
    れた抵抗器回路網を備える請求項24に記載の回路。
  27. 【請求項27】 抵抗回路網によって提供される前記第
    1および第2の基準電圧が互いに異なる請求項26に記
    載の回路。
  28. 【請求項28】 抵抗回路網によって提供される前記第
    1および第2の基準電圧が同じである請求項26に記載
    の回路。
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