JP2003250274A - シングルステージのシングルスイッチ力率補正回路におけるバス電圧ストレスを低減する方法 - Google Patents

シングルステージのシングルスイッチ力率補正回路におけるバス電圧ストレスを低減する方法

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JP2003250274A JP2003024180A JP2003024180A JP2003250274A JP 2003250274 A JP2003250274 A JP 2003250274A JP 2003024180 A JP2003024180 A JP 2003024180A JP 2003024180 A JP2003024180 A JP 2003024180A JP 2003250274 A JP2003250274 A JP 2003250274A
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resistor
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James P Noon
ピー、ヌーン ジェイムズ
Alexander Borisovich Uan-Zo-Li
ボリソヴィッチ ウァン − ツォ − リ アレクサンダー
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 コストを増すことなくシングルステージのシ
ングルスイッチ力率補正回路における過剰電圧ストレス
を解消すること。 【解決手段】 本発明は増加する電圧ストレスに応答し
コンデンサの所定の作動周波数をより低く変調すること
により、シングルステージのシングルスイッチ(SSS
S)コンバータにおける電圧ストレスを低減するための
装置及び方法を提供するものである。このSSSSコン
バータの一次回路(112)及び二次回路(114)に
はスイッチ(120)を介して制御回路(116)及び
これと協力する周波数設定コンデンサ(CT)及び抵抗
(RT)が結合されている。このCTまたはRTには周
波数フォールドバックデバイス(180)が結合されて
おりこのデバイスはCTまたはRTと協働してスイッチ
ング周波数を変調することによってバス電圧ストレスを
下げることができる。電圧スレッショルドの変化を検出
した時に作動周波数は所定作動周波数から変調例えば低
下される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はパワー電子技術に関
し、より詳細には電圧ストレスを低減したシングルステ
ージのシングルスイッチ力率補正回路に関する。
【0002】
【従来の技術】電源における高調波電流の問題を解決す
る従来の方法として、力率補正(PFC)回路を使用す
る方法があった。例えば入力AC電力をブリッジタイプ
の整流デバイスによって整流し、これを電力補正用PF
C回路に入力し、次に電圧変換器で変換し、負荷へ出力
する。
【0003】このシングルステージ方法では入力電流の
整形およびアイソレーションを1回の工程で行う。更に
このシングルステージは1つの制御式半導体デバイスだ
けで実現されている。これらシングルステージのシング
ルスイッチ回路はステップアップインダクタとエネルギ
ー蓄積コンデンサとを一体化している。シングルスイッ
チがオンにスイッチされると、インダクタを通ってトラ
ンスの一次コイルに電流が流れ、DC電圧トランスの二
次コイルへエネルギーを供給し、インダクタ内にエネル
ギーを蓄積する。スイッチがオフにスイッチングされる
と、インダクタに蓄積されていたエネルギーはエネルギ
ー蓄積コンデンサへ送られる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】バスまたはブーストコ
ンデンサ用の電圧は入力されるAC電力と共に変化す
る。従って、AC電力がレンジの広いAC入力であり、
負荷変動が大きい場合、コンデンサ上の電圧はコンデン
サの設計に応じて大幅に変化する。高電圧に耐え、かつ
出力電圧の変動を小さくするため容量を十分にするに
は、容量がより大きく、電圧定格のより高いコンデンサ
が必要である。しかしながら、このタイプのコンデンサ
は極めて高価であり、かさばる。この問題のために、現
在使用されているシングルステージのシングルスイッチ
PFC回路はエネルギー蓄積コンデンサにかかる電圧ス
トレスが過剰となり、このため、回路の用途が限られ、
コストが高くなるという問題を一般に有している。
【0005】この問題に対する1つの解決方法として、
ラツロ・ヒューバーおよびミラン・ジョバノビッチによ
る論文「スイッチング損失を少なくしたシングルステー
ジのシングルスイッチ入力電流整形技術」(IEEE第
15巻第4号、2000年7月)に記載されているよう
に、電圧ストレスを小さくするためにフィードバック用
コイルを増設する方法がある。このフィードバック用コ
イルを使った解決方法によれば、2つの増設された一次
巻線を使って全ラインおよび負荷レンジ内でエネルギー
蓄積コンデンサの電圧を所望するレベル(90〜264
Vrmsのユニバーサルラインレンジで、例えば400
V)よりも低く維持している。しかしながら、このフィ
ードバック方法にはコンバータのコストが高くなり、更
に複雑となるという欠点がある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、大きくなる電
圧ストレスに応答し、コンデンサの所定の作動周波数を
より低く変調することにより、シングルステージのシン
グルスイッチ(SSSS)コンバータにおける電圧スト
レスを低減するための装置および方法として技術的な利
点を提供するものである。このSSSSコンバータの一
次回路および二次回路にはスイッチを介して制御回路お
よび協働する周波数設定コンデンサ(CT)および抵抗
(RT)が結合されている。このCTまたはRTには周
波数フォールドバックデバイスが結合されており、この
デバイスはCTまたはRTと協働してスイッチング周波
数を変調することによってバス電圧ストレスを下げるこ
とができる。電圧スレッショルドの変化を検出した時に
作動周波数を所定作動周波数から変調、例えば低下す
る。
【0007】本発明の理解をより完全にするために、添
付図面を参照し、次の図面と共に次の詳細な説明を参照
する。
【0008】
【発明の実施の形態】特に現時点で好ましい実施例を参
照し、本願の多数の革新的技術の内容について説明す
る。しかしながら、この種の実施例は本明細書において
多数の有利な用途および技術革新の内容を数例しか記述
していないと理解すべきである。一般に、本願明細書に
おける記載は権利範囲を請求する種々の発明のいずれも
必ずしも限定するものではない。更に発明の特徴事項に
適用できる説明もあれば、他の特徴事項には適用できな
い説明もある。
【0009】図面全体にわたり、同じ機能を有する同様
または均等な要素を表示するのに、同じ参照番号または
文字を使用することに留意されたい。本発明の要旨を不
必要に不明瞭にし得る公知の機能および構造に関する詳
細な説明は、説明を簡潔にするために省略してある。
【0010】次に図1を参照すると、ここには本発明の
実施例に係わるシングルステージのシングルスイッチ力
率補正(PFC)回路の簡略された回路図が示されてい
る。AC入力ターミナルにACパワーが入力され、出力
ターミナルVoにてDCパワーが出力される。このPF
C回路は一次回路112と、二次回路114と、制御回
路116とを含む。整流ブリッジダイオード118は、
例えばAC電力メインラインから入力ターミナルに入力
されたAC電圧を整流する。PFC回路はパワー用電界
効果トランジスタのようなパワースイッチ120と、磁
気部品122、例えばパワー用トランスまたは結合イン
ダクタとを更に含む。トランス122は一対の一次巻線
と二次巻線とを含む。一次回路112のダイオード(D
1)はパワー用スイッチ120が導通状態の時にどちら
の一次巻線を附勢するかを決定する。エネルギー蓄積コ
ンデンサ(Cbus)はメインラインの電圧が低いとき
にPFC回路を作動させるためのエネルギーを提供する
だけでなく、PFC回路のうちの必要な中間エネルギー
の蓄積装置ともなっている。
【0011】二次回路はトランスの二次側から流れる電
流を整流するための整流回路(コンデンサCoおよびダ
イオードD2)を含む。制御回路116は出力ターミナ
ル上でレギュレートされたDC電圧を維持するよう、パ
ワースイッチ120のオン時間を制御する。制御回路1
16は従来のパルス幅変調(PWM)制御用ICとする
ことができる。この回路は制御式スイッチ120に対す
るデューティサイクル(オン時間/周期=デューティサ
イクル)を変える。この制御回路はスイッチング周波数
を設定する発振器と、エラー増幅器およびその他の補助
回路も含む。この制御回路はオーバー電圧保護回路およ
び/またはオーバー電流保護回路も含むことができる。
【0012】スイッチング周波数は抵抗器RTおよびコ
ンデンサCTを選択することによって決定される。本例
ではRTはCTに送られる充電電流を設定する。一旦R
Tが設定されると、CTを選択することにより関係式I
=c×dv/dtに従って発振器の周期が決定される。
dvは制御回路の内部回路、発振器の上下スレッショル
ド電圧によって決定され、cはCTであり、IはRTに
よって設定される電流であり、dtは発振器の周期であ
る。電流および/または電圧、および恐らくはオフセッ
トのスケーリングもあるが、このスケーリングは発振器
の動作を大幅に変えるものではない。
【0013】このタイプの回路は電圧ソースコンバータ
として一般に知られているものである。このタイプの電
圧ソースコンバータのパワーステージのトポロジーにつ
いての詳細な説明は、1994年4月5日に発行された
テラモト外を発明者とする米国特許第5,301,095号に記
載されており、この米国特許を本明細書で参照して援用
する。本発明を電圧ソースコンバータに関連させて説明
するが、本発明は同じタイプの回路にも使用できる。
【0014】本発明によれば、CTまたはRTに周波数
フォールドバックデバイス180が結合されており、こ
のデバイスはこれらと協働し、作動周波数を変調するこ
とによりバス電圧ストレスを低下できる。モニタされて
いるスイッチ電流またはバス電圧が所定のスレッショル
ドに一致した時に、この作動周波数が所定の作動周波数
から変調(すなわち低下)される。
【0015】次に図2を参照すると、ここには図1に示
された周波数フォールドバックデバイス180の一実施
例が示されている。抵抗器R1とR2とはコンパレータ
U1への入力として分圧器の回路配置に結合されてい
る。U1は別の入力端に結合された基準電圧(VREF
も有する。抵抗器R1およびR2はバス電圧(VBUS
と比較的低いVREFとを比較できるように、この電圧を
低くするように分圧する。VREFによって設定されたス
レッショルドに一旦到達すると、U1は状態を変える。
U1の出力はトランジスタQ1のゲートに結合されてお
り、更にQ1のソースとアースとの間には抵抗器(R
e)が結合されている。Q1のドレインはICコントロ
ーラとコンデンサCTとの間のノードに結合されてお
り、ICコントローラには抵抗器RTも結合されてい
る。
【0016】従って、Cbus上の電圧がスレッショル
ドよりも高くなると、U1の出力状態は低レベルから高
レベルへ変化し、トランジスタQ1はターンオンされ、
これによって効果的にReの両端に一定電圧が生じる。
これによって効果的にトランジスタQ1は電流シンクと
して作動できる。Q1およびReによって形成されるこ
の電流シンクはCTから所定量の電流を引き出す。すな
わちCTへの充電電流が低減される。このことは、CT
が上方スレッショルドに到達するのにかかる時間を長く
し、よって周波数を下げ、このことはCbus上の電圧
を低下させる。
【0017】周波数は大幅に、例えば従来の100kH
zから約20kHz程度に低い周波数まで低下すること
が好ましい。このように周波数が低下する結果、バス電
圧ストレスは約455Vから419Vまで低下する。こ
のタイプの用途に使用される代表的なCbusコンデン
サの最大電圧定格は450Vであるので、このような解
決方法によりコンバータはコンデンサに過剰ストレスを
与えることなく、すなわちコンデンサを破壊することな
く作動できる。
【0018】U1がオペアンプとして構成されている場
合でも、本技術は作動できることにも留意すべきであ
る。状態が急激に変化する代わりにU1はリニアモード
で作動する。このことは、周波数を急激ではなくスムー
ズに変える効果がある。
【0019】次に図3を参照すると、ここには図1に示
された周波数フォールドバックデバイス180の別の実
施例が示されている。ここで、Q1のソースはアースに
結合されており、ドレインは抵抗器Rcに結合されてお
り、抵抗器Rcは更にRTと並列に結合されている。図
3の回路は図2の回路と同じように機能するが、(図2
の場合のように)Q1を通る別のパスを提供することに
より、CTに利用できる電流を小さくする代わりに、Q
1はターンオンされ、(R1およびR2並びにU1への
VREF入力の選択によって決定される)適当なトリッ
プポイントに到達すると、飽和状態となるように駆動さ
れる。これにより効果的にRcはRTと並列状態にされ
る。このことは、CTへの充電電流も減少させ、これに
よってスイッチング周波数が低下し、これによりCbu
s上の電圧が低下する。
【0020】U1がオペアンプまたはコンパレータとし
て構成されている場合でも、この技術は有効であること
に留意すべきである。状態が急激に変化する代わりに、
U1はリニアモードで作動できる。これには、周波数を
急激にではなくスムーズに変える効果がある。
【0021】図4はこの技術を実現するための別の方法
を示す。この回路の動作はこれまで説明したものと基本
的には同じである。抵抗器R1およびR2だけでなく、
U1も同じ機能を有する。図4では、Q1とQ2とは電
流シンクの回路配置に構成されており、RcはQ1およ
びQ2に対する基準電流を決定している。これら電流は
U1の基準電圧を越えた時に、Ctから充電電流を引出
し、よってスイッチング周波数を低下させる。
【0022】更に、図2、3および4の説明はディスク
リート部品の実現例にも適用できると理解すべきであ
る。この技術は本発明の実施例に従った集積回路内で実
現できる。このケースでは、回路構成は(必要に応じ
て)若干異なるが、機能は同じである。
【0023】制御ICは外部の別個のCtおよびRtを
有することができるし、またこれら部品の一方または双
方を制御IC(図1における116)に外付けできるこ
とも理解すべきである。
【0024】これまで作動周波数を変調することによ
り、バス電圧ストレスを低下させる試みがなされてきた
が、このことは不連続導通モード(DCM)で作動する
コンバータで実現されており、周波数はストレスを低下
させるために(周波数を低下させることと反対に)高く
されていた。本解決方法は連続導通モード(CCM)で
作動するコンバータで実施される。CCMでの作動はコ
ンバータにおけるピークスイッチ電流およびインダクタ
電流を低減するという利点を有する。同じパワーレベル
では、DCMではピーク電流がより大きくなり、よって
部品に対するストレスはより高くなる。一部のケースで
は、これによって損失がより大きくなり、すなわち効率
が低下することもある。次にこのことは、より高いコス
トの部品および/またはより課題の大きい熱設計に起因
し、コストの上昇を引き起こし得る。
【0025】周波数を下げることは、直感に反すること
である。最初に見た場合、周波数を上げることはコンバ
ータをCCM状態に維持し、このことは電圧を低下する
ことに役立つように見える。これまで、作動周波数を高
めることによって電圧ストレスを低下させる種々の試み
がなされてきた。その理由は、負荷が小さい場合、コン
バータはDCM動作に入り、これによって電圧が上昇す
ると考えられていたからである。周波数を高めれば、論
理的にはコンバータはCCM状態により長く留まる。従
って、周波数を低下させることは論理に反する。第2
に、CCMで作動するコンバータには一般には周波数の
変化から影響を受けにくい。DCMで作動するコンバー
タは負荷に依存するdc伝達関数を有する。CCMで作
動するコンバータに対するdc伝達関数は負荷からは独
立している。従って、周波数を変えることはコンバータ
に影響がないはずである。しかしながら、本解決方法で
は影響がある。
【0026】本解決方法の別の利点は、本方法は容易に
実現でき、別の解決方法の増設される磁気部品と比較し
てコストを低くできるという潜在力のある集積回路で実
現できることである。
【0027】以上で、本発明の方法およびシステムの好
ましい実施例を図面に示し、これまでの詳細な説明に説
明したが、本発明はここに開示した実施例のみに限定さ
れるものでなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨
から逸脱することなく、多数の再配置、変形および置換
が可能であると理解できよう。
【0028】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 (1) シングルステージのシングルスイッチコンバー
タ内のスイッチを周波数変調動作させ、電圧ストレスを
低減するための装置において、ある容量を有し、前記ス
イッチに連動するコントローラに結合されたコンデンサ
と、前記コントローラに結合され、前記コンデンサと協
働し、スイッチの作動周波数を決定すると共に、前記コ
ンデンサに加えられる給電電流を決定する抵抗と、スレ
ッショルドと比較するために前記コンバータのバス電圧
の表示信号を受ける入力端と前記コンデンサのうちの1
つに結合された出力端と前記抵抗とを有し、前記決定さ
れた作動周波数を下げると共に、スレッショルドの検出
に応答して前記コンデンサに加えられる前記充電電流を
低減するように作動できる周波数フォールドバックデバ
イスとを備えた装置。
【0029】(2) 前記周波数フォールドバックデバ
イスが前記バス電圧の表示信号を受けるための第1入力
端と基準電圧を受けるための第2入力端とを有するコン
パレータを備え、前記基準電圧が前記スレッショルドを
決定し、前記コンパレータが前記スレッショルドの検出
に応答し、駆動信号を電流シンクに送るための出力端を
更に有し、前記電流シンクが前記コンデンサに並列に結
合されている、第1項記載の装置。
【0030】(3) 前記電流シンクが前記駆動信号を
受けるためのゲートと別の抵抗に結合されたソースと前
記コンデンサに結合されたドレインとを有し、前記駆動
信号に応答して前記別の抵抗の両端に一定電圧を印加す
るように作動するトランジスタを備えた、第2項または
第7項記載の装置。
【0031】(4) 前記周波数フォールドバックデバ
イスが前記バス電圧の表示信号を受けるための第1入力
端と基準電圧を受けるための第2入力端とを有するコン
パレータを備え、前記基準電圧が前記スレッショルドを
決定し、前記コンパレータが前記スレッショルドの検出
に応答し、前記抵抗に並列な別の抵抗をスイッチングす
るよう、別のスイッチに駆動信号を送るための出力端を
更に有する、第1項記載の装置。
【0032】(5) 前記別のスイッチが前記駆動信号
を受けるためのゲートと前記別の抵抗に結合されたドレ
インとを有し、前記駆動信号に応答して前記トランジス
タが飽和状態となるように駆動され、前記抵抗に並列な
前記別の抵抗がスイッチングされる、第4項記載の装
置。
【0033】(6) スイッチコントローラがコンデン
サと抵抗器とを含み、これら前記コンデンサに加えられ
る充電電流を前記抵抗器が決定するスイッチのための作
動周波数を前記コンデンサと抵抗器とが協働して設定す
るようになっている、シングルステージのシングルスイ
ッチ(SSSS)コンバータにおける電圧ストレスを低
減するための方法において、前記SSSSコンバータの
バス電圧と所定の電圧スレッショルドとを比較する工程
と、電圧スレッショルドの変化の検出に応答して駆動信
号を電流シンクデバイスへ送る工程とを備え、前記電流
シンクデバイスが前記コンデンサに加えられる充電電流
を低減し、よって作動周波数を下げるようになってい
る、シングルステージのシングルスイッチ(SSSS)
コンバータにおける電圧ストレスを低減するための方
法。
【0034】(7) 前記電流シンクデバイスが前記コ
ンデンサまたは前記抵抗器と並列に結合されている、第
6項記載の方法。
【0035】(8) バス電圧を比較する前記工程が、
コンパレータの第1入力端でバス電圧の表示信号を受け
る工程と、前記コンパレータの第2入力端で基準電圧を
受ける工程とを備え、前記基準電圧が前記電圧スレッシ
ョルドを決定し、前記コンパレータが前記駆動信号を送
るための出力端を更に有する、第6項または7項記載の
方法。
【0036】(9) 駆動信号を送る前記工程が前記駆
動信号をトランジスタのゲートへ送ることを含み、前記
トランジスタが前記駆動信号に応答して前記コンデンサ
または前記抵抗器と並列な別の抵抗器をスイッチングす
るようになっている、第6、7、または8項記載の方
法。
【0037】(10) 前記電流シンクデバイスが前記
駆動電流を受けるためのゲートおよび別の抵抗器に結合
されたドレインとを有し、前記電圧スレッショルドの検
出に応答し、前記抵抗と並列な前記別の抵抗器をスイッ
チングするようになっているトランジスタを含む、第6
〜9項のいずれかに記載の方法。
【0038】(11) 本発明は、大きくなる電圧スト
レスに応答し、コンデンサの所定の作動周波数をより低
くするよう変調することにより、シングルステージのシ
ングルスイッチ(SSSS)コンバータにおける電圧ス
トレスを低減するための装置および方法を提供するもの
である。このSSSSコンバータの一次回路(112)
および二次回路(114)にはスイッチ(120)を介
して制御回路(116)および協働する周波数設定コン
デンサ(CT)および抵抗(RT)が結合されている。
このCTまたはRTには周波数フォールドバックデバイ
ス(180)が結合されており、このデバイスはCTま
たはRTと協働してスイッチング周波数を変調すること
によってバス電圧ストレスを下げることができる。電圧
スレッショルドの変化を検出した時に作動周波数は所定
作動周波数から変調、例えば低下される。
【0039】本願は2002年1月31日に出願された
継続中の米国仮特許出願第60/354,066号に基づく優先権
を主張するものであり、本明細書ではこの仮特許出願を
参照して援用する。
【図面の簡単な説明】
【図1】シングルステージのシングルスイッチ力率補正
回路を示す。
【図2】本発明の一実施例に係わる周波数フォールドバ
ックデバイスの回路図を示す。
【図3】本発明の一実施例に係わる周波数フォールドバ
ックデバイスの別の回路図を示す。
【図4】本発明の一実施例に係わる周波数フォールドバ
ックデバイスの別の回路図を示す。
【符号の説明】
112 一次回路 114 二次回路 120 スイッチ 180 周波数フォールドバックデバイス R1、R2 抵抗器 U1 コンパレータ Q1 トランジスタ CT コンデンサ RT 抵抗
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アレクサンダー ボリソヴィッチ ウァン − ツォ − リ アメリカ合衆国 ヴァージニア、ブラック バーグ、 ワシントン 600、アパートメ ント 6 Fターム(参考) 5H006 AA02 CA01 CA07 CA12 CB01 CC02 DA02 DA04 DB01 FA01 5H730 AA12 AA18 AA20 BB43 BB57 CC04 DD02 EE02 EE07 FD21 FG07 XX02 XX12 XX22 XX32

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シングルステージのシングルスイッチコ
    ンバータ内のスイッチを周波数変調動作させ、電圧スト
    レスを低減するための装置において、 ある容量を有し、前記スイッチに連動するコントローラ
    に結合されたコンデンサと、 前記コントローラに結合され、前記コンデンサと協働
    し、スイッチの作動周波数を決定すると共に、前記コン
    デンサに加えられる給電電流を決定する抵抗と、 スレッショルドと比較するために前記コンバータのバス
    電圧の表示信号を受ける入力端と前記コンデンサのうち
    の1つに結合された出力端と前記抵抗とを有し、前記決
    定された作動周波数を下げる共に、スレッショルドの検
    出に応答して前記コンデンサに加えられる前記充電電流
    を低減するように作動できる周波数フォールドバックデ
    バイスとを備えた装置。
  2. 【請求項2】 スイッチコントローラがコンデンサと抵
    抗器とを含み、これら前記コンデンサに加えられる充電
    電流を前記抵抗器が決定するスイッチのための作動周波
    数を前記コンデンサと抵抗器とが協働して設定するよう
    になっている、シングルステージのシングルスイッチ
    (SSSS)コンバータにおける電圧ストレスを低減す
    るための方法において、 前記SSSSコンバータのバス電圧と所定の電圧スレッ
    ショルドとを比較する工程と、 電圧スレッショルドの変化の検出に応答して駆動信号を
    電流シンクデバイスへ送る工程とを備え、前記電流シン
    クデバイスが前記コンデンサに加えられる充電電流を低
    減し、よって作動周波数を下げるようになっている、シ
    ングルステージのシングルスイッチ(SSSS)コンバ
    ータにおける電圧ストレスを低減するための方法。
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